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第一作者：张龙为
通讯作者：高国营
通讯单位：华中科技大学
论文链接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202417857
摘要
本文研究了通过电场和堆叠方式调控的反铁磁FeClF双层结构，揭示了其在不同堆叠顺序下作为双极磁半导体(BMS)和异常谷霍尔效应(AVHE)的共存特性。FeClF双层在所有三种堆叠顺序中均表现出层间反铁磁性和层内铁磁性耦合。特别地，A堆叠顺序( Cl-Fe-F-Cl-Fe-F )不仅展现出BMS特性和谷极化，还具有垂直磁各向异性(PMA)，而B和C堆叠顺序则表现为反铁磁半导体特性，没有谷极化。通过电场调控，可以实现BMS和反铁磁半导体之间的转变，以及控制谷和AVHE的产生和消失。这些发现为FeClF双层在谷电子学和自旋电子学应用中提供了新的视角。
研究成果
华中科技大学高国营在《Advanced Functional Materials》上发表了题为“Electric-Field- and Stacking-Tuned Antiferromagnetic FeClF Bilayer: The Coexistence of Bipolar Magnetic Semiconductor and Anomalous Valley Hall Effect”的论文，谷是电荷和自旋之外新兴的载流子自由度，基于空间和时间反演对称性破缺的铁谷性 (ferrovalley) 为信息编码、传输和存储拓展了新途径。双极磁性半导体在栅极电压下可以提供完全自旋极化的电流。二维两面神 (Janus) 体系具有空间镜像和翻转对称性破缺结构，为谷自旋电子学应用提供了广阔平台。该研究以实验上的单、双层FeCl2以及理论预测的单层FeClF为基础，系统探究了在电场作用下不同堆叠序的双层FeClF的谷自旋电子特性。
论文亮点
1.双极磁半导体与谷极化的共存：FeClF双层的A堆叠顺序首次实现了BMS特性和谷极化的共存，为谷电子学和自旋电子学提供了新的材料平台。
2.电场调控的磁各向异性：通过改变外电场的方向和强度，可以精确调控FeClF双层的磁各向异性，为磁存储和逻辑器件的设计提供了新的调控手段。
3.异常谷霍尔效应的电场开关：通过电场调控FeClF双层的谷极化，实现了对AVHE的开关控制，为谷电子学器件的发展提供了新的思路。
图文导读
图 1 具有A（a）、B（b）和C（c）堆叠顺序的双层FeClF结构。在垂直电场作用下，由两层铁磁（FM）组分单层构成的反铁磁（AFM）双层系统示意图（d）。2D第一布里渊区及高对称M-K-Γ-K'-M路径（e）。基于FeClF双层提出的可逆自旋场效应晶体管（f）。在电场作用下，A堆叠（g）和B、C堆叠（h）的简化自旋和层分辨能带结构，显示了AFM半导体和双极磁半导体（BMS）的可逆调制。
图 2 FeClF双层在A（a,d,g）、B（b,e,h）和C（c,f,i）堆叠的声子色散谱（a-c）、总能量波动和几何结构的最终快照（d-f）以及应变能（ESs）（g-i）。
图 3 FeClF双层在A（a,d）、B（b,e）和C（c,f）堆叠的z方向上的平均平面静电势（a-c）和（110）平面上的电子局域函数（ELFs）（d-f）在零外电场下。
图 4 与FM-AFM（z）状态相比的能量差（ΔEs）。A堆叠在正（a）和负（b）电场下。B（c）和C（d）堆叠在电场下。相应的原子分辨ΔEs作为电场的函数（e-h）。
图 5 FeClF双层在A堆叠无电场和有电场时，以FM-AFM（z）状态为参考的Fe-3d轨道分辨ΔEs。
图 6 不考虑自旋轨道耦合（SOC）（左部分）和考虑SOC且易磁化轴沿x（中间部分）和z（右部分）方向的双层FeClF的自旋分辨能带结构，对于A（a-c）、B（d-f）和C（g-i）堆叠。
图 7 在无电场和有电场下，导带最小值（CBMs）、价带最大值（VBMs）和带隙值的自旋分辨行为。A堆叠在正（a）和负（b）电场下，B（c）和C（d）堆叠在电场下。
图 8 双层FeClF在电场下的自旋分辨能带结构。A堆叠在Ef = 0.25 V Å−1的较大能量范围（a）和较小能量范围（b）。A堆叠在Ef = −0.18 V Å−1（c）和E = -0.25 V Å−1（d）。B（e）和C（f）堆叠在E = 0.25 V Å−1。
图 9 FeClF双层在无电场下，Fe、Cl、F原子贡献的自旋和原子分辨能带结构。A（a-c）、B（d-f）和C（g-i）堆叠。
图 10 FeClF双层在无电场下，Fe-dxy、dyz、dz2、dxz和dx2−y2轨道贡献的自旋和层分辨能带结构。A（a-e）、B（f-j）和C（k-o）堆叠。
图 11 正（a）和负（b）电场对K和K'点能级的影响。正（c）和负（d）电场对谷极化的影响。在0（e）、0.25（f）和−0.25（g）V Å−1电场下的2D布里渊区的贝里曲率。
图 12 通过电场开关控制的谷分裂（a）。基于电场调控的FeClF双层A堆叠的异常谷霍尔效应（AVHE）器件示意图（b-e）。红色上指和蓝色下指箭头分别代表自旋向上和自旋向下状态。正号（+）表示空穴。
结论
本文通过第一性原理计算，系统研究了FeClF双层在不同堆叠顺序下的电子、磁性和谷性质，发现A堆叠顺序的FeClF双层不仅具有BMS特性和谷极化，还可以通过外电场调控实现磁各向异性和谷极化的可逆变化。这些发现不仅为FeClF双层在谷电子学和自旋电子学中的应用提供了理论基础，也为二维材料的电场调控提供了新的策略。
作者简介
高国营，副教授，博士生导师，中共党员，博士毕业于华中科技大学凝聚态物理专业。主要从事自旋电子学与热电子学的研究，以第一/通讯作者在PRB、APL、2D Mater.和Nanoscale等刊物发表论文80多篇(包括ESI高被引，编辑推荐和期刊亮点、热点、封面)，被包括Science, PRL和Nat. Rev. Mater.等论文引用3600多次，单篇被引用100次以上的论文10篇。担任Scientific Reports编委，Front. Phys.客座编辑，Nano Lett.、Adv. Mater./Sci.和APL等多个期刊的审稿人。曾获校研究生科技十佳、省优秀博士学位论文、校华中学者、爱思唯尔中国高被引学者以及CPB、物理学报优秀评阅人等称号。先后到日、美、德、意、俄等国开展学术交流。主持3项国家自然科学基金、1项教育部博士点基金和2项省自然科学基金。指导博士毕业生7名，硕士毕业生8名。
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