寧波材料所在二維磁性材料領(lǐng)域取得新進(jìn)展

自二維磁性材料被成功制備以來，人們一直極度關(guān)注其磁性的調(diào)控。特別是對(duì)于雙層CrI3而言，曾經(jīng)有多篇文獻(xiàn)（Nature 546, 270 (2017); Science 360, 1214 (2018); Science 360, 1218 (2018); Nat. Mater. 17, 406 (2018)）報(bào)道其具有層間反鐵磁序，并且在施加外場(chǎng)后，可以實(shí)現(xiàn)從反鐵磁性到鐵磁性的轉(zhuǎn)變，并觀察到巨大的隧穿磁阻。文獻(xiàn)報(bào)道稱，CrI3會(huì)在220K左右發(fā)生由溫度誘導(dǎo)的結(jié)構(gòu)相變，由單斜相（高溫相）轉(zhuǎn)變成六方相（低溫相）。人們通常認(rèn)為類石墨烯堆垛六方相是低溫穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，然而，研究團(tuán)隊(duì)的密度泛函理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)的雙層CrI3具有穩(wěn)定的層間鐵磁序，并非實(shí)驗(yàn)上所發(fā)現(xiàn)的層間反鐵磁序。因此，雙層CrI3磁性相關(guān)的研究焦點(diǎn)之一在于確定其真實(shí)的材料結(jié)構(gòu)及層間耦合機(jī)制。

近期，中科院寧波材料所鐘志誠(chéng)研究員團(tuán)隊(duì)和中國(guó)人民大學(xué)季威教授團(tuán)隊(duì)合作，基于*性原理計(jì)算研究了雙層CrI3中的層間磁耦合機(jī)制，發(fā)現(xiàn)堆垛方式可以調(diào)控層間耦合形式，從而誘導(dǎo)出不同的層間磁基態(tài)：其中低溫相堆垛結(jié)構(gòu)為層間鐵磁序，而該工作預(yù)測(cè)的高溫相堆垛結(jié)構(gòu)為層間反鐵磁序。文章中還指出，在以往的實(shí)驗(yàn)報(bào)道中，由于實(shí)驗(yàn)樣品制備的原因，CrI3雙層結(jié)構(gòu)會(huì)受到BN等襯底的限制，在降溫后并沒有發(fā)生結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，而是保持了反鐵磁態(tài)的高溫相結(jié)構(gòu)。該工作解決了*近一系列實(shí)驗(yàn)中雙層CrI3層間反鐵磁序來源這個(gè)懸而未決的問題，提出了一種在弱非共價(jià)耦合極限下的磁耦合機(jī)制，并為二維材料中利用堆垛的自由度調(diào)控磁性提供了可能。在審稿期間，該工作的預(yù)印本（arXiv:1806. 09274）已被引用十余次，部分理論預(yù)測(cè)*近分別被復(fù)旦大學(xué)吳施偉教授團(tuán)隊(duì)及瑞士巴塞爾大學(xué)（University of Basel）的P. Maletinsky教授團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)工作所證實(shí)（arXiv:1904.03577；Science 10.1126/science.aav6926 (2019)）。

上述工作于2019年4月1日以“Stacking tunable interlayer magnetism in bilayer CrI3”為題發(fā)表在Phys. Rev. B（Phys. Rev. B 99, 144401 (2019)）(論文鏈接： https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.99.144401)，并被編輯推薦為“Editors' Suggestion”。寧波材料所的博士后蔣沛恒和中國(guó)人民大學(xué)的博士生王聰為該論文的共同一作，寧波材料所的鐘志誠(chéng)研究員和中國(guó)人民大學(xué)教授季威為共同通訊作者。該工作得到了國(guó)家基金委、中國(guó)科學(xué)院、中國(guó)人民大學(xué)、中國(guó)博士后科學(xué)基金等的資助。該工作中的數(shù)值計(jì)算是在寧波材料所超算中心、中國(guó)人民大學(xué)高性能計(jì)算中心及上海超算中心進(jìn)行。