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Two-dimensional Dirac spin-gapless semiconductors with tunable perpendicular magnetic anisotropy and a robust quantum anomalous Hall effect
Materials Horizons ( IF 12.2 ) Pub Date : 2020-05-12 , DOI: 10.1039/d0mh00396d Qilong Sun 1, 2, 3, 4 , Yandong Ma 5, 6, 7, 8, 9 , Nicholas Kioussis 1, 2, 3, 4
Materials Horizons ( IF 12.2 ) Pub Date : 2020-05-12 , DOI: 10.1039/d0mh00396d Qilong Sun 1, 2, 3, 4 , Yandong Ma 5, 6, 7, 8, 9 , Nicholas Kioussis 1, 2, 3, 4
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A major recent breakthrough in materials science is the emergence of intrinsic magnetism in two-dimensional (2D) crystals, which opens the door to more cutting-edge fields in the 2D family and could eventually lead to novel data-storage and information devices with further miniaturization. Herein we propose an experimentally feasible 2D material, Fe2I2, which is an intrinsic room-temperature ferromagnet exhibiting perpendicular magnetic anisotropy (PMA). Using first-principles calculations, we demonstrate that single-layer (SL) Fe2I2 is a spin-gapless semiconductor with a spin-polarized Dirac cone and linear energy dispersion in one spin channel, exhibiting promising dissipation-less transport properties with a Fermi velocity up to 6.39 × 105 m s−1. Our results reveal that both strain and ferroelectric polarization switching could induce an out-of- to in-plane spin reorientation in the 2D Fe2I2 layer, revealing its advantage in assembling spintronic devices. In addition, spin–orbit coupling (SOC) triggers a topologically nontrivial band gap of 301 meV with a nonzero Chern number (|C| = 2), giving rise to a robust quantum anomalous Hall (QAH) state. The 2D crystal also exhibits high carrier mobilites of 0.452 × 103 and 0.201 × 103 cm2 V−1 s−1 for the electrons and holes, respectively. The combination of these unique properties renders the 2D Fe2I2 ferromagnet a promising platform for high efficiency multi-functional spintronic applications.
中文翻译：
具有可调垂直磁各向异性和鲁棒量子异常霍尔效应的二维Dirac无自旋间隙半导体
材料科学领域最近的一个重大突破是二维（2D）晶体中本征磁性的出现，这为2D系列中更多前沿领域的发展打开了大门，并最终可能导致新型数据存储和信息设备的发展。小型化。本文中，我们提出了一种实验可行的二维材料Fe 2 I 2，它是一种固有的室温铁磁体，具有垂直磁各向异性（PMA）。使用第一性原理计算，我们证明了单层（SL）Fe 2 I 2是一种具有自旋极化狄拉克锥和在一个自旋通道中具有线性能量色散的自旋无隙半导体，具有令人满意的无耗散传输特性，费米速度高达6.39×10 5 ms -1。我们的结果表明，应变和铁电极化转换都可能在2D Fe 2 I 2层中引起面外到面自旋重新取向，从而揭示了其在组装自旋电子器件中的优势。另外，自旋-轨道耦合（SOC）触发了一个具有非零Chern数（| C | = 2）的301 meV的拓扑非平凡带隙，从而产生了稳健的量子异常霍尔（QAH）状态。2D晶体还具有0.452×10 3的高载流子迁移率电子和空穴分别为0.201×10 3 cm 2 V -1 s -1。这些独特性能的组合使2D Fe 2 I 2铁磁体成为高效多功能自旋电子学应用的有前途的平台。
更新日期：2020-05-12
中文翻译：
具有可调垂直磁各向异性和鲁棒量子异常霍尔效应的二维Dirac无自旋间隙半导体
材料科学领域最近的一个重大突破是二维（2D）晶体中本征磁性的出现，这为2D系列中更多前沿领域的发展打开了大门，并最终可能导致新型数据存储和信息设备的发展。小型化。本文中，我们提出了一种实验可行的二维材料Fe 2 I 2，它是一种固有的室温铁磁体，具有垂直磁各向异性（PMA）。使用第一性原理计算，我们证明了单层（SL）Fe 2 I 2是一种具有自旋极化狄拉克锥和在一个自旋通道中具有线性能量色散的自旋无隙半导体，具有令人满意的无耗散传输特性，费米速度高达6.39×10 5 ms -1。我们的结果表明，应变和铁电极化转换都可能在2D Fe 2 I 2层中引起面外到面自旋重新取向，从而揭示了其在组装自旋电子器件中的优势。另外，自旋-轨道耦合（SOC）触发了一个具有非零Chern数（| C | = 2）的301 meV的拓扑非平凡带隙，从而产生了稳健的量子异常霍尔（QAH）状态。2D晶体还具有0.452×10 3的高载流子迁移率电子和空穴分别为0.201×10 3 cm 2 V -1 s -1。这些独特性能的组合使2D Fe 2 I 2铁磁体成为高效多功能自旋电子学应用的有前途的平台。
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