對半導體性的雙層A-type反鐵磁（層內鐵磁，層間反鐵磁）施加垂直方向的電場得到100%自旋極化的half-metallicity性質是一個普適理論，這個發(fā)現(xiàn)讓研究團隊無比驚喜，也讓審稿人無比激動，在審稿評論中多處提到：“I am excited to read it！” “The idea is simple, clever, and general！

圖1  信息科學技術學院院長褚君浩院士與龔士靜副研究員

華東師大信息科學技術學院褚君浩院士團隊近期在二維反鐵磁領域取得重要突破：在二維A-type反鐵磁中提出了實現(xiàn)half metal (100%自旋極化)的普適理論，設計出新型二維自旋場效應晶體管模型，被認為是反鐵磁應用的重要進展。

該研究以“Electrically induced 2D half-metallic antiferromagnets and spin field effect transistors”為題發(fā)表在《美國科學院院報》（PNAS）。這項研究與加州大學伯克利分校Xiang Zhang院士（現(xiàn)香港大學校長）合作完成，華東師范大學為第一完成單位，龔士靜副研究員為第一作者，Xiang Zhang 院士為共同通訊作者。

圖2  《美國科學院院報》（PNAS）發(fā)表褚君浩院士團隊在二維反鐵磁領域的重要進展

圖3  信息科學技術學院極化材料與器件實驗室龔士靜副研究員

反鐵磁的機遇與挑戰(zhàn)

1970年，法國科學家Néel因其反鐵磁研究成果獲得諾貝爾獎，在他的諾貝爾獎演講中提到：“Antiferromagnetic materials are extremely interesting from the theoretical viewpoint, but do not seem to have any applications.” 反鐵磁具有重要的理論研究價值，但宏觀磁矩為零使其磁結構很難測定，嚴重限制了其實際應用。

2004年，英國曼切斯特大學Andre Geim與Novoselov兩位科學家從石墨薄片中剝離出了石墨烯，標志著二維材料時代的開始。

2017年加州大學伯克利分校Xiang Zhang院士首次在實驗中獲得二維鐵磁性材料Cr2Ge2Te6，至此激發(fā)了人們對二維磁性材料的研究興趣。但目前已發(fā)現(xiàn)的二維磁性材料有很大一部分為反鐵磁，這使得大量關于二維磁性材料的研究再次止步于應用。

在測試雙層二維磁性材料Cr2Ge2Te6、VSe2等的電子結構時，研究團隊發(fā)現(xiàn)，如雙層材料層間為反鐵磁交換作用時，施加垂直電場可以很方便的實現(xiàn)100%自旋極化的half-metallicity性質。

進一步的分析表明，利用半導體性的雙層A-type反鐵磁（層內鐵磁，層間反鐵磁）得到half-metallicity性質是一個普適理論，這個發(fā)現(xiàn)讓研究團隊無比驚喜，也讓審稿人無比激動，在審稿意見中多處提到：“I am excited to read it！” “The idea is simple, clever, and general！”。

半導體性的雙層A-type反鐵磁在垂直電場作用下的能帶演變非常簡單。

圖4  半導體性的雙層A-type反鐵磁結構示意圖以及電場作用下能帶演變示意圖

圖4（A）為無外加電場時半導體性的A-type反鐵磁能帶示意圖，由于A-type反鐵磁的結構特點，使得layer-1與layer-2中自旋屬性相反；圖4（B）為雙層A-type反鐵磁的結構示意圖，施加從layer-2指向layer-1的電場將導致雙層結構的layer-1電勢升高，layer-2電勢降低。外加電場達到一定強度時（臨界電場），導帶底與價帶頂接觸，發(fā)生半導體-金屬相變，同時費米能級附近被同一種自旋態(tài)(藍色)占據(jù)，形成100%自旋極化的half-metallicity性質（圖4（C））。

該研究的重要意義在于，利用雙層A-type反鐵磁的half-metallicity性質可以實現(xiàn)新型的自旋場效應晶體管。當垂直電場大于臨界電場時，即可獲得100%的上自旋極化流（藍色），翻轉外加電場方向可獲得100%下自旋極化流（紅色）。1990年Datta提出的自旋場效應晶體管，其工作性能依賴通道中電子自旋進動的精準控制，該理論雖然備受關注但精準控制自旋進動狀態(tài)在實驗上困難重重。

“我們利用電場調控A-type反鐵磁的電子結構，實驗操作簡單方便，基本原理也完全不同于Datta-Das自旋場效應晶體管。通過與實驗合作者的多次討論，我們在論文中加入了很多關于實驗可行性的討論，對實現(xiàn)新型自旋場效應晶體管可能遇到的實際問題進行了詳細闡述，包括器件工作溫度、二維磁疇大小、電極影響、二維磁性材料厚度對器件性能影響等等，使研究工作不僅理論新穎而且對未來的實驗研究提供了充分的細節(jié)指導?！饼徥快o副研究員說。

圖5  基于雙層A-type反鐵磁的自旋場效應晶體管模型示意圖及工作原理

論文從籌備、投稿、修稿到最后接收，團隊付出了不懈努力。勞倫斯伯克利國家實驗室Xiang Zhang院士在實驗可行性分析方面提供了寶貴意見，使論文學術和應用價值到達了新的高度。

“在與實驗研究組合作的過程中，我們逐漸認識到一個好的理論研究工作不能僅滿足于新理論或新概念，同時應具有引領后續(xù)實驗的作用，并盡可能從理論方面預言后續(xù)實驗可能遇到的困難。”龔士靜副研究員說。

褚君浩院士認為，“基礎研究的原創(chuàng)性發(fā)現(xiàn)非常重要，它的重要性通常不會像應用領域的技術突破很快被接受，因此，做基礎研究需要足夠的耐心和恒心，底子牢固了后勁才足；另外我們應創(chuàng)造條件加強合作，包括實驗和理論合作，國內與國際合作，在自己的研究領域做大做強，做出特色?！?/strong>

該研究第一作者龔士靜副研究員，2010年入職華東師范大學。她一直從事自旋電子學領域研究，在傳統(tǒng)半導體材料中的自旋調控，尤其是基于自旋軌道耦合作用的全電學自旋調控方面，積累了豐富的研究經驗，在國際著名期刊發(fā)表論文四十余篇。她結合前期積累的電控磁性研究優(yōu)勢與二維磁性材料的新特點，很快在二維反鐵磁研究取得重要進展。

信息科學技術學院研究生孫鈺云，杜二偉，韋玥參與了計算分析；朱亮清副研究員在程序設計方面提供了很多幫助；從事同領域研究的唐曉東研究員、白偉副研究員提供了研究思路和有益討論；電控磁性是極化材料實驗室重要發(fā)展方向之一，實驗室主任段純剛教授對研究工作給予了充分支持。褚君浩院士作為紅外物理與半導體自旋器件專家，多次擔任科技部973項目首席科學家，主持國家重點基礎研發(fā)項目，為信息學院科研發(fā)展以及人才培養(yǎng)傾注了全力。

以上研究獲得中國國家自然科學基金(61774059)、美國科學基金（1753380）、上海市自然科學基金 (18ZR1412500) 以及國家留學基金委（2015061450）支持；計算資源獲得華東師范大學超算中心支持。