在過(guò)去幾年中，谷自由度和相關(guān)操作已發(fā)展成為新興谷電子技術(shù)中的一個(gè)熱門話題，該技術(shù)具有快速信息傳輸和低功耗的特點(diǎn)。重點(diǎn)只是集中在非對(duì)稱驅(qū)動(dòng)的自旋軌道耦合（SOC）相互作用作用下的谷態(tài)，其特點(diǎn)是費(fèi)米級(jí)附近帶狀結(jié)構(gòu)的局部能量極值，可選擇性地用于信息處理和存儲(chǔ)，從而可能帶來(lái)超越傳統(tǒng)電子學(xué)和自旋電子學(xué)的卓越性能。這一突破的核心在于，在由重元素組成的半導(dǎo)體系統(tǒng)中，反轉(zhuǎn)對(duì)稱性和時(shí)間反轉(zhuǎn)對(duì)稱性都會(huì)被強(qiáng)制違反，從而通過(guò)在兩個(gè)不相等的谷中產(chǎn)生不平衡的載流子濃度來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)帶或價(jià)帶的谷極化。在此背景下，將本征磁性融入谷電半導(dǎo)體的二維（2D）鐵谷材料為實(shí)現(xiàn)自旋電子學(xué)和谷電電子學(xué)的無(wú)縫集成提供了巨大的實(shí)用價(jià)值。在稀缺的本征高溫鐵磁半導(dǎo)體中探索谷底對(duì)比物理，并提供可行的合成路線，對(duì)不斷發(fā)展的模態(tài)信息技術(shù)具有重要意義。

來(lái)自西南大學(xué)的學(xué)者通過(guò)第一性原理計(jì)算，TiInTe3 單層具有優(yōu)異的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，并通過(guò)間接超交換機(jī)制產(chǎn)生易平面半導(dǎo)體鐵磁性?；诤ＩつＰ偷拿商乜迥M顯示，在 583 K 時(shí)磁性相變遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于室溫。由于反轉(zhuǎn)和時(shí)間反轉(zhuǎn)的不對(duì)稱性，通過(guò)改變磁化取向，可以在導(dǎo)帶中實(shí)現(xiàn)高達(dá) 110 meV 的可調(diào)谷極化，一階擾動(dòng)理論進(jìn)一步驗(yàn)證了這一點(diǎn)。更令人興奮的是，為實(shí)現(xiàn)反常山谷霍爾效應(yīng)而摻入電子時(shí)，TiInTe3 單層中的平面外磁化偏好，從而產(chǎn)生自發(fā)的、更大的谷極化。摻雜后，室溫以上的鐵磁性在實(shí)驗(yàn)可達(dá)到的電子密度范圍內(nèi)仍然保持穩(wěn)定。研究結(jié)果突出表明，TiInTe3 單層是一種很有前途的鐵谷材料，可用于開發(fā)高性能自旋電子和谷電子納米器件。相關(guān)工作以題為“Valley polarization in a two-dimensional high-temperature semiconducting TiInTe3 honeycomb ferromagnet”的研究性文章發(fā)表在Acta Materialia。

圖 1. TiInTe3 單層結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性。 (a) 俯視圖和側(cè)視圖，其中顯示 FM 階中的自旋電荷密度，等值面值為 0.005 e∕Bohr3。黑色菱形指的是原始細(xì)胞。還顯示了兩個(gè)超級(jí)交換路徑的 Ti-Te-Ti 鍵角。 (b) 6 個(gè) Te 原子圍繞 1 個(gè) Ti 原子組成的三棱柱以及分裂晶體場(chǎng)下 Ti-3d 軌道占據(jù)的示意圖。 (c) TiInTe3(110) 平面上的 ELF 投影，其中 0 和 1 值分別是極低和高度局域化的電荷區(qū)域。 (d) 聲子譜

圖 2. TiInTe3 單層的磁和電子特性。 (a) MAE 對(duì)整個(gè)真實(shí)空間的角度依賴性。 (b) 蒙特卡羅模擬中標(biāo)準(zhǔn)化磁化強(qiáng)度（紅球）作為溫度的函數(shù)。黑色曲線顯示了居里-布洛赫方程的相應(yīng)擬合。 (c) 面內(nèi)磁化下 PBE + U + SOC 能級(jí)的自旋極化能帶結(jié)構(gòu)。零能量時(shí)的費(fèi)米能級(jí)由虛線表示。 +K 和 ?K 點(diǎn)處的箭頭分別表示由左 (σ+) 和右 (σ?) 圓偏振光子引起的谷選擇性光學(xué)躍遷。

圖 3. TiInTe3單層中 PBE + U + SOC 水平的可調(diào)谷極化。 (a)面外相反磁化強(qiáng)度下的自旋極化能帶結(jié)構(gòu)。零能量時(shí)的費(fèi)米能級(jí)由虛線表示。 (b) 谷極化（紅球）作為第一原理計(jì)算的磁化方向的函數(shù)。黑色曲線顯示了余弦函數(shù)的相應(yīng)擬合

圖 4. TiInTe3 單層中依賴于谷的傳輸特性。 (a) 二維布里淵區(qū) LCB 在面外相反磁化強(qiáng)度下的貝里曲率。 (b) 分別在面內(nèi)電場(chǎng)作用下，+K 和 -K 谷處合適的電子摻雜單層的相應(yīng) AVHE 示意圖。箭頭表示電子自旋態(tài)。

圖 5. 通過(guò)靜電門控 TiInTe3單層的磁性和電子特性。 (a) 交換能量和 MAE 以及 (b) 谷極化和居里溫度作為電子摻雜濃度的函數(shù)。 (a) 中的插圖繪制了在每晶胞 0.07 個(gè)電子的摻雜濃度下 MAE 在整個(gè)真實(shí)空間上的角度依賴性。 (c) 0.07 電子摻雜系統(tǒng)在 PBE + U + SOC 水平上的自旋極化能帶結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了 241 meV 的自發(fā)谷極化。零能量時(shí)的費(fèi)米能級(jí)由虛線表示。

總之，TiInTe3單層在理論上被認(rèn)為是一種穩(wěn)定的高于室溫的本征調(diào)頻半導(dǎo)體，具有面內(nèi)磁化和可行的制造路線。研究發(fā)現(xiàn)，山谷極化可通過(guò)旋轉(zhuǎn)磁化方向持續(xù)引導(dǎo)。在實(shí)驗(yàn)可實(shí)現(xiàn)的密度范圍內(nèi)進(jìn)行適度電子摻雜時(shí)，易磁化軸可轉(zhuǎn)換為平面外方向，從而產(chǎn)生自發(fā)的谷極化，并伴隨半導(dǎo)體到半金屬的轉(zhuǎn)變和 AVHE。此外，靜電摻雜后高溫調(diào)頻基態(tài)仍然存在。這些發(fā)現(xiàn)不僅為后續(xù)實(shí)驗(yàn)探索提供了一個(gè)特殊的材料平臺(tái)，而且揭示了 TiInTe3在自旋電子學(xué)和磁電學(xué)中的潛在應(yīng)用。

封面來(lái)源于圖蟲創(chuàng)意