Magneto-electric coupling beyond van der Waals interaction in two-dimensional multiferroic heterostructures

凝聚态物理 自旋电子学 磁化 多铁性 铁磁性 材料科学 反铁磁性 极化密度 铁电性 磁各向异性 异质结 范德瓦尔斯力 物理 磁场 光电子学 电介质 量子力学 分子
作者
C. Y. Jin,Chang Liu,Ren Fengzhu,Bing Wang,Minglei Jia,Qinfen Gu
出处
期刊:Applied Physics Letters [American Institute of Physics]
卷期号:123 (26)
标识
DOI:10.1063/5.0180680
摘要

Exploring two-dimensional (2D) multiferroic systems with strong magneto-electric coupling properties holds significant application value in nanoscale spintronics devices. However, due to the weak interlayer van der Waals interactions, strong magneto-electric coupling in 2D heterostructures is relatively rare. By using first-principles simulations, we demonstrate that in the NiPS3/Sc2CO2 heterostructure, the ferroelectric polarization switching of the Sc2CO2 layer induces a transition in the magnetic ground state of the NiPS3 layer from the ferromagnetic state to antiferromagnetic ordering, accompanied by a transformation from a semiconductor to a half-metallic state. This magnetic phase transition is caused by a novel magneto-electric coupling mechanism: the polarization switching changes the band alignment between the two materials and then induces a significant interlayer charge transfer, leading to the emergence of Stoner itinerant ferromagnetism. In addition, the polarization switching can also change the magnetic anisotropy from an easy magnetization plane to an easy magnetization axis. These results not only offer a promising multiferroic heterostructure for nonvolatile memory devices and magnetic sensors but also provide a feasible approach for designing multiferroic system with strong magneto-electric coupling.
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