Realizing spontaneous valley polarization and topological phase transitions in monolayer ScX2 (X = Cl, Br, I)

材料科学 磁化 单层 极化(电化学) 兴奋剂 自发磁化 自旋极化 凝聚态物理 电子 纳米技术 磁场 物理化学 物理 量子力学 化学
作者
Yanzhao Wu,Junwei Tong,Deng Li,Feifei Luo,Fubo Tian,Gaowu Qin,Xianmin Zhang
出处
期刊:Acta Materialia [Elsevier BV]
卷期号:246: 118731-118731 被引量:40
标识
DOI:10.1016/j.actamat.2023.118731
摘要

Manipulating the valley degree of freedom besides the charge and spin has attracted increasing interest in fundamental sciences and emerging applications. In this study, the monolayer ScX2 (X = Cl, Br, I) magnetic semiconductors are reported by varying halide elements. Unexpectedly, monolayer ScCl2 is none of ferrovalley property, but both monolayer ScBr2 and ScI2 show obvious valley polarization owing to the joint effects of magnetic exchange interaction and spin–orbit coupling. However, both monolayer ScBr2 and ScI2 show an in-plane easy axis of magnetization, leading to lose spontaneous valley polarization. Herein, two means of tensile strain and charge doping are explored to obtain spontaneous valley polarization by regulating ferrovalley property and the direction of magnetization axis in monolayer ScBr2 and ScI2. Interestingly, topological phase transitions from ferrovalley, half-valley metals to quantum anomalous Hall effect states appear with the increase of strain in monolayer ScBr2 and ScI2. The topologically nontrivial band gap of monolayer ScI2 is larger than that of monolayer ScBr2. After hole doping, the easy magnetization axis turns out-of-plane and the ferrovalley characteristic remains in the monolayer ScI2, thereby resulting in spontaneous valley polarization. Notably, 0.1 holes per f.u. doping in the present monolayer ScI2 corresponds to the carrier doping density is around 1.44 × 1014 cm−2, which can be achieved in Hall devices through available gate techniques.
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