Two-dimensional bipolar ferromagnetic semiconductors from layered antiferromagnets

自旋电子学 反铁磁性 材料科学 凝聚态物理 铁磁性 兴奋剂 半导体 旋转 磁性半导体 居里温度 光电子学 物理
作者
Jun Deng,Jiangang Guo,Hideo Hosono,Tianping Ying,Xiaolong Chen
出处
期刊:Physical Review Materials [American Physical Society]
卷期号:5 (3) 被引量:35
标识
DOI:10.1103/physrevmaterials.5.034005
摘要

Bipolar magnetic semiconductors (BMSs) are a class of compounds possessing different valence band maximum (VBM) and conduction band minimum (CBM) in terms of electron spins, which are related to but distinct from half-metals. They allow one to switch one spin current to another by applying external gate voltage or chemical doping, which can meet the requirement of bipolar manipulation in spintronic devices. Designing and searching BMSs are still a challenge. Here we predict that monolayer ${\mathrm{CrPS}}_{4}$ and ${\mathrm{CrPSe}}_{4}$ are bipolar ferromagnetic semiconductors with Curie temperature 58 K and 82 K, respectively. We predicted that they can be exfoliated from their A-type antiferromagnetic bulk form. Electric-field gating could drive ${\mathrm{CrPS}}_{4}$ and ${\mathrm{CrPSe}}_{4}$ into half-metals with reversible spin-polarization directions, where the bipolar doping is relatively easier to access for ${\mathrm{CrPSe}}_{4}$ in experiment than ${\mathrm{CrPS}}_{4}$ for its suitable electron affinity and ionic potential. Furthermore, we highlight the role played by the different magnitude between spin exchange splitting and crystal field splitting in the formation of BMSs. The results presented here may provide new clues in designing or searching BMSs.
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