中国半导体十大研究进展候选推荐（2021-035）——基于二维磁性半导体碘化铬（CrI3）的旋光性探测器

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工作简介

         ——基于二维磁性半导体碘化铬（CrI₃）的旋光性探测器

二维磁性材料自2017年被发现以来，已成为物理学及相关领域的研究热点之一。单层二维磁性材料因具有原子级厚度，为研究极限厚度下光与物质相互作用和相关磁光电现象提供了平台。此外，二维磁性材料因具有层状结构，可与其他材料形成范德华接触，为构建种类丰富的高性能磁光电器件提供了可能，在下一代信息技术领域具有广阔的应用前景。

二维磁性半导体碘化铬（CrI₃）具有独特而有趣的物理性质，例如：单层表现为铁磁性，而多层表现为反铁磁性，且其易磁化轴垂直于层面，因此可以通过控制CrI₃的层数实现不同功能的磁光电器件。

最近，北京大学物理学院凝聚态物理与材料物理研究所、人工微结构和介观物理国家重点实验室戴伦教授课题组与中国人民大学季威教授等合作，制备了基于石墨烯-CrI₃-石墨烯范德华异质结构的旋光性探测器（图1），并在不同的磁场和温度下，分别研究了单层和多层CrI₃器件在不同手性（左旋、右旋）圆偏振光照下的光电流性质。在不同的CrI₃磁化状态下，该探测器在左/右旋圆偏振光照下的光响应行为明显不同；反射磁圆二色性（reflective magnetic circular dichroism, RMCD）谱测量结果表明，磁化后的CrI₃对左/右旋圆偏振光的吸收率有明显差异。因此，在磁场调控下，随着CrI₃磁化状态发生改变，器件对两种手性圆偏振光的光响应偏振度（由两种手性光照下不同的光响应度决定）也发生变化（图2）。此外，在较高偏压下，单层和多层器件都出现了奇异的负光电流现象。研究团队通过仔细研究器件在光照下的隧穿电流性质，对该现象提出一种可能的解释。该研究揭示了CrI₃磁性及其光电性质间的相互作用，为开发新型自旋光电器件提供了途径。

图1.  基于石墨烯-CrI₃-石墨烯范德华异质结构的旋光性探测器。a.旋光性探测器结构示意图；b.单层CrI₃旋光性探测器光学照片；c. 不同磁化状态的单层CrI₃在左/右旋圆偏振光照下的光电流之差，其中红色和蓝色分别表示向上和向下磁化的CrI₃。

图2.  器件对两种手性圆偏振光的光响应偏振度随磁场的变化。a.单层CrI₃旋光性探测器的光响应偏振度随磁场的变化（插图：单层CrI₃的RMCD谱，表明其具有铁磁性）；b.多层CrI₃旋光性探测器的光响应偏振度随磁场的变化（插图：多层CrI₃的RMCD谱，表明其具有反铁磁性）。

2021年11月25日，相关研究成果以“基于二维磁性半导体碘化铬的旋光性探测器”（Light helicity detector based on 2D magnetic semiconductor CrI₃）为题，在线发表于《自然·通讯》（Nature Communications）；北京大学2018级博士研究生成星为第一作者，戴伦为通讯作者。

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作者简介

通讯作者

戴伦，北京大学博雅特聘教授，杰青，全国优秀博士论文指导教师。

从事低维半导体材料与相关器件研究。迄今在Nature、Nature Communications、Science Advances、Nano Lett.、Adv. Mater.、Adv. Func. Mater.、JACS、ACS nano 等国际著名学术期刊发表SCI论文共140多篇，SCI他引六千余次。承担和参加了多项基金委基金项目和科技部“973”等项目。

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原文传递

详情请点击论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-021-27218-3

《半导体学报》简介：

《半导体学报》是中国科学院主管、中国电子学会和中国科学院半导体研究所主办的学术刊物，1980年创刊，首任主编是王守武院士，黄昆先生撰写了创刊号首篇论文，2009年改为全英文刊Journal of Semiconductors（简称JOS），同年开始与IOPP英国物理学会出版社合作向全球发行。现任主编是中科院副院长、国科大校长李树深院士。2019年，JOS入选“中国科技期刊卓越行动计划”。2020年，JOS被EI收录。

“中国半导体十大研究进展”推荐与评选工作简介：

《半导体学报》在创刊四十年之际，启动实施 “中国半导体年度十大研究进展”的推荐和评选工作，记录我国半导体科学与技术研究领域的标志性成果。以我国科研院所、高校和企业等机构为第一署名单位，本年度公开发表的半导体领域研究成果均可参与评选。请推荐人或自荐人将研究成果的PDF文件发送至《半导体学报》电子邮箱：[e-mail]，并附简要推荐理由。被推荐人须提供500字左右工作简介，阐述研究成果的学术价值和应用前景。年度十大研究进展将由评审专家委员会从候选推荐成果中投票产生，并于下一年度春节前公布。

JOSarXiv预发布平台简介：

半导体科技发展迅猛，科技论文产出数量逐年增加。JOSarXiv致力于为国内外半导体领域科研人员提供中英文科技论文免费发布和获取的平台，保障优秀科研成果首发权的认定，促进更大范围的学术交流。JOSarXiv由《半导体学报》主编李树深院士倡导建立，编辑部负责运行和管理，是国内外第一个专属半导体科技领域的论文预发布平台，提供预印本论文存缴、检索、发布和交流共享服务。

JOSarXiv于2020年1月1日正式上线（http://arxiv.jos.ac.cn/），通过《半导体学报》官网（http://www.jos.ac.cn/）亦可访问。敬请关注和投稿！

扩展阅读

 

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