Significant enhancement of magnetic anisotropy and conductivity in GaN/CrI3 van der Waals heterostructures via electrostatic doping

凝聚态物理 范德瓦尔斯力 自旋电子学 异质结 居里温度 磁性半导体 材料科学 铁磁性 兴奋剂 磁各向异性 磁化 物理 磁场 量子力学 分子
作者
Haoshen Ye,Xiao Wang,Dongmei Bai,Junting Zhang,Xiaoshan Wu,G. P. Zhang,Jianli Wang
出处
期刊:Physical review [American Physical Society]
卷期号:104 (7) 被引量:25
标识
DOI:10.1103/physrevb.104.075433
摘要

van der Waals magnetic heterostructures, consisting of a wide band-gap nitride semiconductor and an intrinsic ferromagnetic semiconductor, are potentially useful for low-dimensional spintronic field-effect transistors. However, there is a significant challenge. For instance, the integration often leads to a decreased Curie temperature, the magnetic anisotropy direction change, and low conductivities. Here, we employ the first-principles density-functional method to systematically investigate the electronic and magnetic properties of the $\mathrm{GaN}/{\mathrm{CrI}}_{3}$ van der Waals heterostructures under electrostatic doping. Though the easy magnetization axis of the monolayer ${\mathrm{CrI}}_{3}$ transforms from out-of-plane to in-plane direction over 0.2 electron doping per unit cell, the $\mathrm{GaN}/{\mathrm{CrI}}_{3}$ van der Waals heterostructure maintains perpendicular anisotropy under electron doping, crucial for high-density information storage. The Curie temperature of the $\mathrm{GaN}/{\mathrm{CrI}}_{3}$ van der Waals heterostructure can be enhanced under both electron and hole doping. The $\mathrm{GaN}/{\mathrm{CrI}}_{3}$ van der Waals heterostructure presents half-metallic properties and the spin-up conductivities are much larger than that of the monolayer ${\mathrm{CrI}}_{3}$ under the same electrostatic doping. Our results indicate that constructing heterostructures with ferromagnets and nonmagnetic semiconductors is an effective strategy for developing high-performance field-effect transistors.

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