Two-dimensional valleytronic semiconductor with spontaneous spin and valley polarization in single-layer Cr2Se3

凝聚态物理 磁化 物理 点反射 联轴节(管道) 半导体 极化(电化学) 材料科学 铁磁性 磁场 量子力学 化学 物理化学 冶金
作者
Zhonglin He,Rui Peng,Xiangyu Feng,Xilong Xu,Ying Dai,Baibiao Huang,Yandong Ma
出处
期刊:Physical review 卷期号:104 (7) 被引量:47
标识
DOI:10.1103/physrevb.104.075105
摘要

Two-dimensional (2D) valleytronic materials, exhibiting valley-contrasting physics, are both fundamentally intriguing and practically appealing to be used in nanoscale devices. In this work, through first-principles calculations and model analysis, we identify single-layer ${\mathrm{Cr}}_{2}{\mathrm{Se}}_{3}$ as a promising 2D valleytronic semiconductor. We reveal that single-layer ${\mathrm{Cr}}_{2}{\mathrm{Se}}_{3}$ is a ferromagnetic semiconductor and harbors valley features. In contrast to most previously reported similar systems suffering from a natural in-plane magnetization, it favors the robust out-of-plane magnetization. This, combined with the broken inversion symmetry and strong spin-orbit coupling strength, renders that a sizable valley polarization occurs spontaneously in single-layer ${\mathrm{Cr}}_{2}{\mathrm{Se}}_{3}$, thus facilitating the observation of intriguing anomalous valley Hall effect. More remarkably, by employing strain and ferroelectric substrate, the on-off switching of the valley polarization is realized in single-layer ${\mathrm{Cr}}_{2}{\mathrm{Se}}_{3}$. The underlying physics is discussed in detail. Our work provides a tantalizing candidate for realizing and manipulating the valley and spin physics.
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