许小红教授团队近期在二维磁性材料及功能设计方面取得一系列新进展

自从2004年石墨烯被制备以后，二维材料受到了科研人员的广泛关注。近期，二维磁性材料（包括CrGeTe₃、CrI₃、Fe₃GeTe₂等）的成功制备，将二维材料的研究带入了一个新高度。区别于传统磁性薄膜，二维磁性材料的出现为发展新型自旋电子学器件提供了新的契机。基于此，我实验室许小红教授团队近期在二维磁性材料及其功能设计方面取得了一系列重要研究进展：

1. 二维Fe₃GeTe₂同质结中实现抗老化、可延伸及非易失交换偏置
    交换偏置（Exchange bias）是指在铁磁与反铁磁体系界面处存在直接耦合作用而产生的一种量子现象，其宏观表现为磁滞回线相对于零场的偏移。该效应在磁性随机存储器和磁性隧道结等自旋电子学器件中具有广阔的应用前景。目前，实现该效应的方案主要集中在反铁磁与铁磁薄膜材料形成的异质结（heterostructure），而在由同一种材料形成的同质结（homostructure）中还未报道。

山西师范大学许小红教授团队与中国科学技术大学的张振宇教授、合肥强磁场中心的盛志高教授团队合作首次发现在二维Fe₃GeTe₂同质结中施加一定的压力也可实现交换偏置效应（如图1）。这是由于层状铁磁和反铁磁构型Fe₃GeTe₂的能量差非常小。当对特定厚度的Fe₃GeTe₂施加一定的压力后，其变为反铁磁排列，而未施加压力的Fe₃GeTe₂仍为铁磁排列。随后的研究发现交换偏置场的大小几乎不受训练效应的影响，且在交换偏置效应消失前再施加同样的应力可重复该过程。其证实了二维Fe₃GeTe₂薄膜中的交换偏置效应具有抗老化、可延伸和非易失等特性。该工作为后续在二维同质结中实现交换偏置提供了指引方向。

该研究成果以题为“Emergent, non-aging, extendable, and rechargeable exchange bias in two-dimensional Fe₃GeTe₂ homostructures induced by moderate pressuring”发表在Advanced Materials上（SCI一区，Top期刊，影响影子：32.086）。山西师范大学张会生副教授在这一发现的理论计算方面做了重要贡献，为该论文的共同第一作者。

全文连接：https://doi.org/10.1002/adma.202203411

2. 二维过渡金属三元硫属化合物中量子反常霍尔效应的理论设计
    量子反常霍尔效应是指在不加外磁场的情况下，体系的边界处会出现手性的边界态。由于量子反常霍尔效应的实现不需要外加磁场，而此时样品的边缘态可以被看成一根无能耗的理想导线，因此其在低能耗自旋电子学器件中有潜在的应用前景。区别于在三维拓扑绝缘体引入磁性的设计思路，在二维铁磁材料中引入拓扑特性是实现量子反常霍尔效应（QAHE）的一种新途径。最近实验成功制备的二维铁磁绝缘体为实现该效应提供了新的契机。
    基于密度泛函理论的第一性原理计算，设计了一个在过渡金属三元硫属化合物Cr₂A₂X₆（其中A=Si、Ge、Sn；X=S、Se、Te）中实现QAHE的普适规则。该设计原则是，通过适当的表面修饰可将二维非拓扑的磁性绝缘体转变为量子反常霍尔体系。以硅烯修饰的Cr₂Sn₂Se₆（Si/Cr₂Sn₂Se₆）为例，计算发现Cr₂Sn₂Se₆单层的居里温度可提高至92 K。具体的电子能带和拓扑性质计算发现，Si/Cr₂Sn₂Se₆异质结存在约30 meV的拓扑非平庸带隙，即该体系中可以实现QAHE。进一步的k-p模型分析表明，Si/Cr₂Sn₂Se₆的拓扑特性是由Cr₂A₂X₆中六角晶格中的Cr原子贡献的。此外，还发现其它Cr₂A₂X₆通过表面修饰也可以实现QAHE。以上研究结果证实了该方案的普适性，其为实现高温QAHE提供了新的理论指导思路。

该研究成果以题为“A generic designing rule for realizing quantum anomalous Hall phase in a transition-metal trichalcogenide family”发表在SCIENCE CHINA Materials上（SCI一区，Top期刊，影响影子：8.64）。山西师范大学博士研究生杨文佳为第一作者，山西师范大学许小红教授与张会生副教授为共同通讯作者。

全文连接：https://doi.org/10.1007/s40843-022-2248-2

3. 类MnBi₂Te₄反铁磁拓扑绝缘体中实现层间铁磁耦合的一般规律

磁性和拓扑能带的结合可以产生多种新奇拓扑量子态，例如，量子反常霍尔效应和轴子绝缘态。最近报道的层状MnBi₂Te₄就是兼具磁性与拓扑特性的三维磁性拓扑绝缘体，该材料可看作是将反铁磁材料MnTe插层到三维拓扑绝缘体Bi₂Te₃中。理论和实验结果表明这种反铁磁构型排布使得量子反常霍尔效应只能在奇数层体系中实现，这导致实验观测温度非常低（约1K）。因此，如何在类MnBi₂Te₄反铁磁材料中实现层间铁磁耦合是实现高温量子反常霍尔效应的关键所在。

研究发现，类MnBi₂Te₄材料的层间磁耦合作用可通过掺杂磁性元素来调节。其铁磁和反铁磁构型的能量差ΔE = E_AFM -E_FM可由基于d轨道的两带模型来描述：ΔE的正负是由掺杂元素X与Mn元素d轨道的能级差决定的；如果ΔE > 0，则ΔE_d > 0，即层间铁磁耦合可实现。值得注意的是，该模型可被基于密度泛函理论的第一性原理计算证实：空穴掺杂的MnBi₂Te₄可实现层间铁磁耦合，而电子掺杂的MnBi₂Te₄仍为层间反铁磁耦合。此外，研究结果还发现在V掺杂磁性拓扑绝缘体Mn₂Bi₂Te₅中可实现高温量子反常霍尔效应。该研究工作为在类MnBi₂Te₄反铁磁材料中实现层间铁磁耦合及高温量子反常霍尔效应提供了理论指导。

该研究成果以题为“A generic dual d-band model for interlayer ferromagnetic coupling in a transition-metal doped MnBi₂Te₄ family of materials”发表在Nanoscale上（SCI二区，Top期刊，影响影子：8.307）。山西师范大学张会生副教授为第一作者，山西师范大学许小红教授与犹他大学大学刘锋教授为共同通讯作者。

全文连接：https://doi.org/10.1039/d2nr03283j

图1. 二维Fe₃GeTe₂同质结中的交换偏置效应。

图2. 二维过渡金属三元硫属化合物中实现量子反常霍尔效应的示意图。

图3. V掺杂磁性拓扑绝缘体Mn₂Bi₂Te₅中实现高温量子反常霍尔效应。

以上研究成果得到了国家自然科学基金项目和国家重点研发计划项目的资助。