多铁性首现于硅表面 – 郭万林团队重要发现

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铁性(Ferroic)的基本性能包括铁电性、铁磁性和铁弹性。多铁性材料(multiferroics)是指材料中包含相互耦合的两种及两种以上的铁性性能。多铁性材料可以通过其中一种铁性改变来操控另一种铁性，如通过电场控制磁化或者通过磁场控制电极化。因此，多铁性材料在磁存储、信息处理等领域具有广阔的应用前景。尽管当前多铁性在含过渡金属元素的复杂材料体系中被大量报道，但在更简单的非金属材料体系却鲜有发现。

硅的多铁性

另一方面，硅具有合适的能级间隙，良好的载流子迁移率，且在地球中储量最丰，因而成为现代半导体工业的基础，更是下一代微纳电子器件的首选材料。目前，硅在各种器件中主要是由其电荷形成的电导自由度实现对逻辑信息的操控。然而，随着器件的特征尺寸不断朝微纳尺度发展，这种操控正遭遇着集成度和能耗的发展瓶颈。探索利用硅的自旋自由度可以实现逻辑与存储的一体化，降低器件能耗，被广泛认为是解决这一问题的重要途径之一。大量研究已致力于在硅材料中产生自旋极化，但在硅结构中产生內禀的自旋极化依然极具挑战。

通过应变和载流子浓度调控硅的磁性

针对上述两个方面的问题，南京航空航天大学机械结构力学纳米科学研究所团队发现了置于硅基底上的磁性石墨烯纳米带具有偏压调制的双段线性磁电效应(PRL 103, 187204, 2009)。最近，该团队循着低维结构奇特的力-电-磁耦合效应这一研究思路，利用系统的第一性原理计算发现最为普遍的Si(001)表面在门电压作用下可在硅表面上自发形成自旋磁性，且局部自旋磁矩之间倾向于铁磁性耦合。表面磁性起源于硅表面重构导致的局域化电子态，其在电荷掺杂下产生电子-电子相互作用而发生交换分裂。进一步研究发现采用应变硅技术可进一步增强硅表面的铁磁性，并形成只导通单一自旋通道的半金属的电输运性能。

硅表面的铁电反转和磁电耦合

与此同时，该团队发现Si(001)表面的硅二聚物因对称性破坏具有自发的电极化，整个表现即使在空穴掺杂的作用下也具有较强的反铁电性。这使得上述铁磁性与反铁电性罕见地共存于含空穴载流子的硅表面。更为有趣的是，在外加面内电场的作用下，硅表面的二聚物因受到静电力的驱动发生翻转，使得硅表面重构沿着电场方向重新排布，形成具有铁电性的基态。在反铁电-铁电转变的同时，整个硅表面由铁磁性转变为非磁性状态，证明含空穴载流子的硅表面具有相互耦合的电序与磁序，首次在不含金属元素的纯硅表面上实现了多铁性。此外，利用应变硅技术或提高载流子浓度均可大幅降低驱动硅表面发生反铁电-铁电转变所需的电场强度，显现出硅表面独特的力-电-磁耦合效应。

该工作为发展硅基磁电器件提供了科学基础和可能的技术途径。

相关论文发表在Science Bulletin 2019年第5期。论文作者包括轩啸宇博士生，张助华教授和郭万林院士。

论文信息：Xiaoyu Xuan, Wanlin Guo, Zhuhua Zhang. Surface multiferroics in silicon enabled by hole-carrier doping. Science Bulletin, 2019, 63(5): 331-336 https://doi.org/10.1016/j.scib.2019.02.006

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