Controlling magnetism in 2D CrI3 by electrostatic doping

磁性 兴奋剂 磁化 铁磁性 单层 双层 材料科学 居里温度 凝聚态物理 纳米技术 反铁磁性 物理 磁场 光电子学 化学 生物化学 量子力学
作者
Shengwei Jiang,Lizhong Li,Zefang Wang,Kin Fai Mak,Jie Shan
出处
期刊:Nature Nanotechnology [Nature Portfolio]
卷期号:13 (7): 549-553 被引量:1094
标识
DOI:10.1038/s41565-018-0135-x
摘要

The atomic thickness of two-dimensional materials provides a unique opportunity to control their electrical1 and optical2 properties as well as to drive the electronic phase transitions3 by electrostatic doping. The discovery of two-dimensional magnetic materials4–10 has opened up the prospect of the electrical control of magnetism and the realization of new functional devices11. A recent experiment based on the linear magneto-electric effect has demonstrated control of the magnetic order in bilayer CrI3 by electric fields12. However, this approach is limited to non-centrosymmetric materials11,13–16 magnetically biased near the antiferromagnet–ferromagnet transition. Here, we demonstrate control of the magnetic properties of both monolayer and bilayer CrI3 by electrostatic doping using CrI3–graphene vertical heterostructures. In monolayer CrI3, doping significantly modifies the saturation magnetization, coercive force and Curie temperature, showing strengthened/weakened magnetic order with hole/electron doping. Remarkably, in bilayer CrI3, the electron doping above ~2.5 × 1013 cm−2 induces a transition from an antiferromagnetic to a ferromagnetic ground state in the absence of a magnetic field. The result reveals a strongly doping-dependent interlayer exchange coupling, which enables robust switching of magnetization in bilayer CrI3 by small gate voltages. Electrostatic doping in vertical van der Waals CrI3–graphene heterostructures provides means to control the magnetic properties of monolayer and bilayer CrI3.
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