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在自旋电子学领域，利用磁性材料的自旋自由度可以实现信息存储、传输及处理。近年来，低维磁性材料的发现更是促进了纳米自旋电子学器件的发展。利用电信号，产生和操控纯自旋极化电流是自旋电子学应用中一项长期重要的技术挑战。双极性磁性半导体具有相反自旋极化的价带顶和导带底，为实现栅压电场调控自旋极化电流提供了一个可能。然而，这种调控方式是易失的，要求施加一个永久的栅压电场才能保持自旋极化电流，这在能耗方面以及逻辑器件的应用上并不是理想的选择。
来自中国科学院物理研究所的杜世萱教授团队，提出了一种通过引入铁电栅压门来操控双极性磁性半导体中自旋极化电流的策略。该团队通过第一性原理计算预测了一个稳定的二维双极性磁性半导体VSeF，其铁磁居里转变温度为66 K。由于铁电体具有可翻转的自发内建电场，双极性磁性半导体VSeF的电子结构可以受到铁电基底电极化方向的调控，例如，铁磁半金属/半导体间的转换以及自旋极化向上/向下电流间的转换可分别由单层Al2Se3铁电和双层Al2Se3铁电基底调控。基于这些新颖可控的多铁异质结，该团队进一步设计了两类自旋场效应晶体管，多铁存储器和自旋阀。该研究还发现铁电基底和双极性磁性半导体VSeF界面间的电荷掺杂浓度在1013 cm-2量级，与传统的栅压掺杂浓度可比拟。此外，界面间的电荷掺杂效应能有效地提升VSeF的铁磁转变温度，并且随着掺杂载流子浓度的提高，VSeF铁磁转变温度的提升更为明显。
该研究为调控双极性磁性半导体的自旋极化提供了一种有效节能的策略，这将促进双极性磁性半导体在未来自旋电子学领域的探索和应用。该文近期发表于npj Computational Materials 9：50(2023)，英文标题与摘要如下，点击左下角“阅读原文”可以自由获取论文PDF。
Nonvolatile electrical control of spin polarization in the 2D bipolar magnetic semiconductor VSeF
Yuhui Li, Jun Deng, Yan-Fang Zhang, Xin Jin, Wen-Han Dong, Jia-Tao Sun, Jinbo Pan & Shixuan Du
Nonvolatile electrical control of spin polarization in two-dimensional (2D) magnetic semiconductors is greatly appealing toward future low-dissipation spintronic nanodevices. Here, we report a 2D material VSeF, which is an intrinsic bipolar magnetic semiconductor (BMS) featured with opposite spin polarized valence and conduction band edges. We then propose a general nonvolatile strategy to manipulate both spin-polarized orientations in BMS materials by introducing a ferroelectric gate with proper band alignment. The spin-up/spin-down polarization of VSeF is successfully controlled by the electric dipole of ferroelectric bilayer Al2Se3, verifying the feasibility of the design strategy. The interfacial doping effect from ferroelectric gate also plays a role in enhancing the Curie temperature of VSeF layer. Two types of spin field effect transistors, namely multiferroic memory and spin filter, are further achieved in VSeF/Al2Se3 and VSeF/Al2Se3/Al2Se3 multiferroic heterostructures, respectively. This work will stimulate the application of 2D BMS materials in future spintronic nanodevices. 
