双层二维材料的能带结构可由电场灵活调控，例如双层石墨烯能隙为零，外加垂直于石墨烯表面的电场可以诱导0.25 eV左右的能隙，双层过渡金属硫化物（M=Mo,W;X=S, Se, Te）为半导体，外加电场可诱导半导体-金属相变。

2017年加州大学伯克利分校Xiang Zhang院士首次在实验中获得二维铁磁性材料，激发了人们对二维磁性材料的研究兴趣[1]。但是目前已经发现的二维磁性材料很大一部分为反铁磁，反铁磁的局限性使大量关于二维磁性材料的研究再次止步于应用。

2018年华东师范大学信息科学技术学院褚君浩院士团队的龚士静研究员与加州大学伯克利分校Xiang Zhang院士合作，研究发现对半导体性的双层A-type反铁磁（层内铁磁，层间反铁磁）施加垂直方向电场可得到half-metallicity性质[2]。

下图给出了半导体性的双层A-type反铁磁在垂直电场作用下的电子结构演变示意。外加电场作用下，双层结构的其中一层电势升高，另一层电势降低，导致半导体-金属相变，同时费米能级附近被同一种自旋态占据，形成100%自旋极化的half-metallicity性质。

图为双层A-type反铁磁(a)结构与(b)态密度示意图，其中α与β表示不同自旋属性；施加蓝色（正向）与红色（负向）电场时态密度分别演变为图（d）与（c）；(e) 为新型自旋场效应晶体管模型，通道中电流的自旋属性由栅极电压调节[2]。

该项研究的意义在于，利用双层A-type反铁磁的half-metallicity可以实现新型的自旋场效应晶体管（参见图1（e））。当外加电场大于临界电场时，即可获得100%的自旋极化流，翻转外加电场方向可调节费米能级附近自旋属性。

1990年Datta提出的自旋场效应晶体管，其工作性能依赖通道中电子自旋进动的精准控制，该理论虽然备受关注但精准控制自旋进动状态在实验上困难重重[3]。而利用电场调控A-type反铁磁的电子结构，通道中电子自旋属性在α与β态之间可自由切换，实验操作简单方便，基本原理也完全不同于Datta-Das自旋场效应晶体管。

点击阅读王建禄教授原文：

A novel spin-FET based on 2D antiferromagnet

J L Wang

J. Semicond., 2019, 40(2),  020401. 

doi: 10.1088/1674-4926/40/2/020401.

Full text

参考文献：

1. Gong C, et al. Discovery of intrinsic ferromagnetism in two-dimensional van der Waals crystals. Nature, 2017 546:265.

2. Gong S-J et al. Electrically induced 2D half-metallic antiferromagnets and spin field effect transistors. PNAS, 2018, 115(34), 8511

3. Datta S, Das B. Electronic analog of the electro-optic modulator. Appl Phys Lett., 1990, 56:665.

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