近期，我院应用物理学专业2020级本科生张丁文同学以第一作者身份在国际物理学术期刊Physical Review B 110 (15), 155403 (2024) 和Applied Surface Science 653, 159128 (2024)上发表两篇学术论文。论文研究成果是其主持的校级大学生创新训练计划项目主要成果。研究成果是在王建利副教授的指导下完成的。
成果展示
(一) 构筑室温范德瓦尔斯单层自旋阀
1988年巨磁阻效应的发现是自旋电子学发展史上的里程碑。基于巨磁阻效应的自旋阀器件由于其低功耗和非易失性特性在数据存储中得到广泛应用。2017年二维铁磁材料的成功合成为实现自旋电子器件小型化提供了一条新途径。随后，范德瓦尔斯自旋阀概念被提出，其结构特点是将一个二维非磁单层插入两个二维铁磁单层之间。然而，基于范德瓦尔斯磁性异质结构的传统范德瓦尔斯自旋阀，对实验上精确制备具有理想界面的范德瓦尔斯异质结提出了重大挑战。基于密度泛函理论和玻尔兹曼输运理论，以二维磁性β2-HfCr2N4单层为载体，提出了简单易行的单层自旋阀和切换磁构型的可行手段。
二维磁性β2-HfCr2N4单层为本征铁磁半金属材料，居里温度远高于室温，具有易磁化的xy平面和较大的磁各向异性能量。二维β2-HfCr2N4单层可以视为非磁性HfN2层夹在两个磁性CrN层之间，这样独特的结构使其可以概念化为自旋阀器件。张丁文同学的研究发现通过切换磁序配置可以实现从半金属到半导体的转变，磁序配置可用于表示“开”和“关”状态。此外，在xy平面施加双轴压缩应变后，磁基态从铁磁态转变为层间反铁磁态。在−4%应变下，二维层间反铁磁β2-HfCr2N4单层可以在约2.07 T的临界磁场下切换到铁磁态，这为实验上实现磁构型的切换提供了可行途径。值得注意的是，在压缩应变下二维β2-HfCr2N4单层仍保持自旋阀效应，在室温下呈现出572%的巨磁阻，从带隙和迁移率方面解释了磁阻变化原因。
二维β2-HfCr2N4单层的结构、电子局域函数、晶体场能级劈裂示意图以及不同磁构型的能带。
(二) 二维HfCr2N4基室温双栅自旋电子场效应管
现代微电子技术主要利用电子的电荷特性进行运算与存储，然而基于电荷自由度的微电子器件因为量子效应的存在难以进一步微型化。面向后摩尔时代信息处理与存储的可持续发展，自旋电子学是新一代信息技术发展和产业变革的驱动力量。如果同时利用电子的自旋特性可以进一步增加对电子的调控能力，利用电子的自旋自由度进行信息的传递、处理与存储，开发新型自旋电子器件，是未来信息技术发展的关键。低维磁性材料载体中可以通过同时操控电荷自由度和自旋自由度处理和存储信息发展新一代低功耗、超高速、多功能和非易失性自旋电子器件。然而，实验合成的二维本征磁性材料居里温度较低、环境稳定性差、尺寸和厚度可控制备困难等问题限制了其应用和发展。研究和发展低维磁性材料与器件是今后进一步突破电子器件性能、发展新一代量子器件的迫切需求。
张丁文同学结合第一性原理计算和玻尔兹曼输运方程，研究了二维β1-HfCr2N4单层的结构、电子、磁性和输运特性，以及静电掺杂对物性的调控。研究结果发现，二维β1-HfCr2N4单层在室温下呈现本征铁磁半导体性质。由于双磁原子层和较大的磁矩，二维磁性β1-HfCr2N4单层具有较大的磁各向异性能和居里温度。在静电掺杂的影响下，二维磁性β1-HfCr2N4单层保留了其铁磁性、易磁化xy平面和高居里温度特性。静电掺杂将导致半导体到半金属的转变，电导率显着提高。因此，二维磁性β1-HfCr2N4单层可以通过静电掺杂实现电路导通和截止行为，是双栅场效应晶体管理想候选材料。
二维β1-HfCr2N4单层在静电掺杂下的能带与电导率
总结
以上研究均在王建利副教授的指导下完成，王老师是论文通讯作者，同时，课题研究受到了陈雷鸣教授的指导。研究工作得到材料与物理学院物理学科开放课题(2022WLXK02)、校级大学生创新创业项目支持。据悉，张丁文同学以优异的课程学习成绩和丰硕的科研成果保研南京大学物理学院研究生。
材料与物理学院坚持育人为本，致力于培养德智体美劳全面发展的高素质人才，注重通过第一、第二课堂提升学生的科技创新能力。学院通过本科生导师制、科研训练拓展课程、探索性实验项目、大学生学科竞赛等课内外机制实现创新创业培养的全覆盖。近年来本科生发表高水平科研论文30余篇；年均获批各类大创项目40余项；年均获得各类省级以上创新创业奖励30余项。王建利副教授扎根人才培养的第一线，坚持做学生锤炼品格的引路人、做学生学习知识的引路人、做学生创新思维的引路人、做学生奉献祖国的引路人，近年来培养了盛昊昊、朱怡杰、张丁文等一批物理学专业拔尖学生。
张丁文本科期间发表学术论文：
1. Dingwen Zhang(张丁文), Haoshen Ye, Meng Su, Jianli Wang(*), Strain-tuned room-temperature spin valve effect in the HfCr2N4 monolayer, Phys. Rev. B 110 (15), 155403 (2024).
（论文链接：https://doi.org/10.1103/PhysRevB.110.155403
2. Dingwen Zhang(张丁文), Meng Su, Jingwen Zhang, Haoshen Ye, and Jianli Wang(*),TwodimensionalHfCr2N4 semiconductor with intrinsic room-temperature ferromagnetism and enhanced conductivity via electrostatic doping, Appl. Surf. Sci. 653, 159128 (2024).
（论文链接：https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2023.159128
3. Yijie Zhu, Dingwen Zhang(张丁文), Haoshen Ye, Dongmei Bai, Ming Li, G. P. Zhang, Junting Zhang, and Jianli Wang(*), Magnetic and electronic properties of AlN/VSe2 van der Waals heterostructures from combined first-principles and Schrödinger-Poisson simulations, Phys. Rev. Applied, 18 (2), 024012 (2022).
作者|章良驰 车绍杰
编辑|车绍杰
审核|李泳锋
