我院欧阳方平教授团队在《Applied Physics Letters》发表重要研究成果

随着传统半导体器件逐渐逼近物理极限，自旋电子学利用电子自旋进行信息处理，被视为后摩尔时代逻辑器件的重要发展方向。二维磁性材料因其独特的物理性质和新奇量子效应，为构建新型低功耗、高集成度的自旋电子器件提供了理想的平台。然而，低居里温度和室温下结构不稳定制约着二维磁性材料在自旋电子器件中的实际应用。因此，如何在同一器件中实现多种功能的集成，并确保其室温下的高稳定性，是当前研究面临的重大挑战。

本工作利用第一性原理方法研究了由Fe原子沉积在单层WS₂表面形成的FeWS₂单层的电子结构和输运性质。结果表明单层FeWS₂是在室温下结构稳定以及居里温度高于室温的铁磁半金属。以单层FeWS₂作为电极，单层WS₂作为隧穿势垒可以设计出二维面内多功能自旋电子器件。二维FeWS₂/WS₂/FeWS₂面内多功能自旋电子器件具有两种工作模式。在有限偏压下，器件进入电学工作模式，具有超高的隧穿磁阻（TMR）。在偏振光照射下，器件进入光学工作模式。该器件在无偏压的情况下可产生显著的光学伽伐尼效应，并可通过调控偏振光和器件的磁构型产生完全自旋极化电流、纯自旋流和自旋阀效应。

本工作预测了单层FeWS₂是一种室温稳定的铁磁半金属，为面向低功耗、高速度和高集成度计算的新型自旋电子器件提供了理论依据。

图1 （a）单层FeWS₂的俯视图和侧视图。（b）单层WS₂和（c）单层FeWS₂的能带结构。（d）室温下从头算分子动力学模拟过程中单层FeWS₂能量随时间的变化。（e）模拟单层FeWS₂的磁矩和比热随温度的变化及其居里温度。（f）单层FeWS₂的总态密度和投影态密度。

图2 （a）二维FeWS₂/WS₂/FeWS₂面内多功能自旋电子器件示意图。隧穿势垒厚度为1.10 nm且无偏压时器件处于（b）自旋平行态和（c）自旋反平行态时的电子透射谱。（d）-（g）沿器件输运方向的投影局域态密度（PLDOS）。

图3 当势垒层厚度分别为（a）0.55 nm、（b）1.10 nm和（c）1.66 nm时，器件在有限偏压下的自旋平行态电流和自旋反平行态电流。（d）有限偏压下不同势垒厚度下器件的TMR以及当势垒层厚度为1.10 nm时器件在平行态时的自旋注入效率。

图4 （a）和（b）分别为器件处于平行态和反平行态时在线偏振光作用下对应的光生电流值。（c）展示了器件处于平行态和反平行态时在不同能量的线偏振光作用下的最大光电流。在线偏振光下，（d）器件处于平行态且光子能量Eph = 2.6 eV, （e）器件处于反平行态且光子能量Eph = 2.6 eV和（f）器件处于反平行态且光子能量Eph = 2.2 eV的光生自旋电流随偏振角的变化规律。

1.理论预测单层FeWS₂是一种在室温下稳定的二维铁磁半金属，其居里温度高达670 K。

2.设计了具有双工作模式的FeWS₂器件，在有限偏压下可以实现超高的TMR，在光照下可产生100%自旋极化的电流和纯自旋流。

这项工作得到了新疆维吾尔自治区自然科学基金重点项目（Grant No. 2023D01D03）、新疆大学优秀博士研究生创新项目（Grant No. XJU2024BS049）、国家自然科学基金项目（Grant No. 52073308）、新疆维吾尔自治区天山创新团队项目（Grant No. 2023D14001）的资助。

https://doi.org/10.1063/5.0299407