近日，我院低维半导体材料设计与器件模拟实验室李中军教授课题组与中国科学技术大学杨金龙院士团队胡伟研究员合作，采用环戊二烯基（Cp）作为p轨道的主体，基于团簇自组装概念设计了一类具有高居里温度、强磁各向异性和巨磁-能带结构效应的二维磁性(Cr3As2)2Cp3团簇类烯，相关成果以“Molecule-Induced Huge d-p Overlap Enhances Superexchange Interaction for Room-Temperature In-Plane Magnetism and Giant Magneto Band-Structure Effect in Ferromagnetic Clusterphene”为题，于11月20日发表在国际著名学术期刊《Advanced Functional Materials》上。

二维范德华XY铁磁半导体由于具有奇异的拓扑自旋纹理，不仅是探究凝聚态物理领域新奇物理效应和机制的重要体系，也是制备自旋存储器件的重要候选材料，因此近些年引起了广泛的关注。然而，迄今为止已报道的大多数二维范德华XY铁磁半导体的应用仍然面临两方面的限制。首先，磁转变温度T_C远低于室温。最近发现的包括CrCl₃和CrSBr等二维范德华铁磁体的d轨道与相邻的抗磁性原子p轨道之间的重叠较小，导致弱的d-p-d超交换作用且难以调控，无法产生较高的磁转变温度T_C。其次，这些材料面内磁各向异性较弱。研究表明，磁各向异性(MCA)主要受自旋轨道耦合影响，决定于价带和导带通过磁量子数L_z的相互作用，当满足|∆L_z|= 0时可以实现面内磁化。然而在已报道的体系中，很难实现具有匹配的磁量子数L_z的自旋极化的价带和导带。 

图1. 研究体系的几何结构、轨道耦合作用和自旋分布。

为了突破上述限制，研究团队提出使用环戊二烯基(Cp)作为p轨道的主体，基于团簇自组装概念，构建了一类二维磁性 (Cr₃As₂)₂Cp₃团簇类烯，如图1所示。根据分子理论，由于Cp的两个简并的最高占据分子轨道和d_xz/yz轨道属于同一种不可约表示（E′′）基函数，d_xz/yz（|L_z|=1）轨道可以与Cp的最高占据分子轨道发生巨大重叠，增强d-p-d超交换相互作用。另一方面，d轨道与Cp的最高占据分子轨道之间的强相互作用可增强d电子离域化程度，使d_xz/yz能量提升至费米能级附近，实现自旋极化的价带和导带的磁量子数匹配（|∆L_z|=0）。

图2. 研究体系的态密度分布、d-p-d超交换作用和铁磁交换作用机制示意图。

基于密度泛函理论的第一性原理计算结果表明，Cr原子的d_xz/yz轨道与Cp的最高占据分子轨道产生了强的相互作用（图2），极大增强了d-p-d超交换作用，使(Cr₃As₂)₂Cp₃团簇类烯的磁转变温度达到室温条件（T_C = 324 K）。(Cr₃As₂)₂Cp₃ 团簇类烯同时具有易磁面，面内为各向同性，属于理想的XY铁磁体，表现出巨磁-能带结构效应，预期有望在实验上通过外加磁场调控磁矩方向以改变能带结构，实现量子反常霍尔效应（图3）。此外，研究团队采用官能团和元素修饰策略进一步调控了磁各向异性和巨磁-能带结构效应。最后，研究团队利用获得的上述性质，构建了基于(Cr₃As₂)₂Cp₃团簇类烯的二维自旋电子器件，模拟隧穿各向异性磁阻和量子反常霍尔效应（图3）。本工作将推动具有室温磁转变温度的二维XY铁磁半导体的理论设计、实验制备及其器件应用研究。 

图3. 基于研究体系构建的自旋电子器件模拟隧穿各向异性磁阻和量子反常霍尔效应。

合肥工业大学为论文第一署名单位，我院刘小峰博士为论文第一作者，汪海迪副研究员和李中军教授以及中国科学技术大学胡伟研究员为论文共同通讯作者。本工作得到了科技部重点研发、安徽省重点研发、国家自然科学基金、安徽省自然科学基金、合肥工业大学中央高校基本科研业务费等项目的资助以及合肥工业大学超级计算中心的支持。

文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202414984

刘小峰/图文 高伟清/审核