【摘 要】
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谷自由度可以类比于自旋和电荷自由度来作为信息载体实现信息编码和存储。操纵谷自由度的关键是实现谷极化。本征谷极化材料为谷电子的发展提供了新的平台。目前已知谷极化材料数量有限,寻找具有较大谷极化材料可以给谷电子学器件提供更多的选择机会。在这项工作中,我们发现单层Gd X2（X=Br,Cl）是铁谷材料,单层Gd Br2和单层Gd Cl2的谷极化值分别为79 me V和35 me V。由于单层Gd X2（
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谷自由度可以类比于自旋和电荷自由度来作为信息载体实现信息编码和存储。操纵谷自由度的关键是实现谷极化。本征谷极化材料为谷电子的发展提供了新的平台。目前已知谷极化材料数量有限,寻找具有较大谷极化材料可以给谷电子学器件提供更多的选择机会。在这项工作中,我们发现单层Gd X2（X=Br,Cl）是铁谷材料,单层Gd Br2和单层Gd Cl2的谷极化值分别为79 me V和35 me V。由于单层Gd X2（X=Br,Cl）具有相似的电子结构,所以以单层Gd Br2为例,研究了它的谷物理性质。单层Gd Br2的谷极化可以通过外部应变进行调节,当施加4%的拉伸应变时,单层Gd Br2的谷极化值达到107 me V。此外,通过翻转单层Gd Br2的自旋取向可以实现单层Gd Br2的谷极化翻转,这对于利用电子的谷自由度来编码和处理信息是非常必要的。此外,电子和空穴的掺杂对单层Gd Br2的谷极化有显着影响。我们的研究提供了一个新的铁谷材料家族Gd X2（X=Br,Cl）。我们从理论上设计了一种新的铁谷材料——单层XI2（X=Sc,Y）,研究了单层XI2（X=Sc,Y）的结构、电子和磁学性质。单层XI2（X=Sc,Y）是铁谷材料,单层Sc I2和单层YI2的谷极化值分别达到97 me V和108 me V,并且其居里温度分别为138 K和58 K。应变工程对单层XI2（X=Sc,Y）的谷极化的调控非常明显,单层XI2（X=Sc,Y）谷极化的变化趋势随应变的增加是相反的。通过施加6%的拉伸应变,单层YI2的谷极化高达113 me V。在施加-6%的压缩应变时单层Sc I2谷极化高达103 me V,在6%的拉伸应变下单层Sc I2依然保持明显的谷极化现象,并且具有较高的的居里温度182 K。通过改变自旋的取向来实现单层XI2（X=Sc,Y）的谷极化的翻转,这对于单层XI2（X=Sc,Y）应用于谷电子学器件是非常有利的。另外通过掺杂电子和空穴也起到了很好的调节谷极化的作用,同时实现了半导体到半金属的转变。我们的发现证明了单层XI2（X=Sc,Y）是具有潜力的谷电子学材料。在这项工作中,我们发现了一种新的应变调控谷极化的结果:材料的谷极化随着应变的增加而保持稳定状态。通过无磁性材料合成磁性材料,打破时间反演对称性,在铁谷材料单层Ti Te I中发现高达122 me V的谷极化。通过应变对其谷极化的调节,发现其谷极化对应变不敏感,在-3%到3%的应变下,单层Ti Te I的谷极化保持在122 me V左右,此结果与我们的轨道贡献理论相吻合。此外,单层Ti Te I的居里温度高达269 K,接近室温,如此高的居里温度为实验研究提供了方便。在K谷和K′谷中具有相反的贝瑞曲率,贝瑞曲率可以看作一个有效磁场,在面内施加电场,不同能谷中的载流子会往相反的方向移动实现反常谷霍尔效应。所以单层Ti Te I是具有较高居里温度的铁谷材料,在谷电子学器件应用中非常有潜力。
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