Density Functional Theory Study of Nonvolatile Electrical Control of Half-Metallicity in Multiferroic RuCl2/Al2S3 Heterostructures: Implications for Spin Memory Devices

多铁性 异质结 密度泛函理论 自旋(空气动力学) 材料科学 凝聚态物理 非易失性存储器 金属丰度 光电子学 纳米技术 物理 铁电性 量子力学 热力学 银河系 电介质
作者
Ying Chen,Guangzhao Wang,Jiatian Guo,Ming‐Xing Li,Hongkuan Yuan,Hong Chen
出处
期刊:ACS applied nano materials [American Chemical Society]
卷期号:7 (4): 4302-4312 被引量:18
标识
DOI:10.1021/acsanm.3c05854
摘要

To overcome the volatility and high-power dissipation in conventional control approaches in spin-dependent devices, such as spin memory devices, there is an urgent need to realize nonvolatile all-electric spin manipulation in two-dimensional van der Waals (vdW) ferromagnetic (FM) semiconductors. Herein, we investigate the electronic and transport features of the multiferroic heterostructure (HS) RuCl2/Al2S3 built by coupling the ferrovalley semiconductor RuCl2 monolayer with the ferroelectric (FE) Al2S3 monolayer by employing first-principles density functional theory plus nonequilibrium Green’s function transport theory. It is shown that the nonvolatile and reversible switching between the FM semiconductor and half-metallicity can be realized in the RuCl2/Al2S3 HS by electrically controlling the FE polarization states of the Al2S3 sublayer. Moreover, the large out-of-plane magnetic anisotropy and Curie temperature near room temperature of RuCl2 can also survive in the vdW RuCl2/Al2S3 HS, which is of practical importance. Notably, the FE sublayer Al2S3 still retains its original semiconducting nature in different polarization states, which is beneficial to realize the polarization switching via an applied electric field. Furthermore, an all-electric controlled valve effect with an ultrahigh on/off ratio and pure spin-polarized current in the on state is confirmed in conceptual two-probe devices based on the RuCl2/Al2S3 HS. These findings shed light on the potential applications of the all-electrically controlled vdW multiferroic HS RuCl2/Al2S3 in compact and highly efficient information processing and data storage.
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