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Electrically induced 2D half-metallic antiferromagnets and spin field effect transistors

自旋电子学 凝聚态物理 自旋极化 自旋晶体管 电子 自旋(空气动力学) 反铁磁性 铁磁性 电场 带隙 材料科学 密度泛函理论 物理 自旋霍尔效应 量子力学 热力学
作者
Shijing Gong,Cheng Gong,Yuyun Sun,Wen‐Yi Tong,Chun‐Gang Duan,Junhao Chu,Xiang Zhang
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [National Academy of Sciences]
卷期号:115 (34): 8511-8516 被引量:245
标识
DOI:10.1073/pnas.1715465115
摘要

Engineering the electronic band structure of material systems enables the unprecedented exploration of new physical properties that are absent in natural or as-synthetic materials. Half metallicity, an intriguing physical property arising from the metallic nature of electrons with singular spin polarization and insulating for oppositely polarized electrons, holds a great potential for a 100% spin-polarized current for high-efficiency spintronics. Conventionally synthesized thin films hardly sustain half metallicity inherited from their 3D counterparts. A fundamental challenge, in systems of reduced dimensions, is the almost inevitable spin-mixed edge or surface states in proximity to the Fermi level. Here, we predict electric field-induced half metallicity in bilayer A-type antiferromagnetic van der Waals crystals (i.e., intralayer ferromagnetism and interlayer antiferromagnetism), by employing density functional theory calculations on vanadium diselenide. Electric fields lift energy levels of the constituent layers in opposite directions, leading to the gradual closure of the gap of singular spin-polarized states and the opening of the gap of the others. We show that a vertical electrical field is a generic and effective way to achieve half metallicity in A-type antiferromagnetic bilayers and realize the spin field effect transistor. The electric field-induced half metallicity represents an appealing route to realize 2D half metals and opens opportunities for nanoscale highly efficient antiferromagnetic spintronics for information processing and storage.
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