鐵性(Ferroic)的基本性能包括鐵電性、鐵磁性和鐵彈性。多鐵性材料(multiferroics)是指材料中包含相互耦合的兩種及兩種以上的鐵性性能。多鐵性材料可以通過其中一種鐵性改變來操控另一種鐵性，如通過電場控制磁化或者通過磁場控制電極化。因此，多鐵性材料在磁存儲、信息處理等領域具有廣闊的應用前景。儘管當前多鐵性在含過渡金屬元素的複雜材料體系中被大量報道，但在更簡單的非金屬材料體系卻鮮有發現。
硅的多鐵性
另一方面，硅具有合適的能級間隙，良好的載流子遷移率，且在地球中儲量最豐，因而成為現代半導體工業的基礎，更是下一代微納電子器件的首選材料。目前，硅在各種器件中主要是由其電荷形成的電導自由度實現對邏輯信息的操控。然而，隨著器件的特徵尺寸不斷朝微納尺度發展，這種操控正遭遇著集成度和能耗的發展瓶頸。探索利用硅的自旋自由度可以實現邏輯與存儲的一體化，降低器件能耗，被廣泛認為是解決這一問題的重要途徑之一。大量研究已致力於在硅材料中產生自旋極化，但在硅結構中產生內稟的自旋極化依然極具挑戰。
通過應變和載流子濃度調控硅的磁性
針對上述兩個方面的問題，南京航空航天大學機械結構力學納米科學研究所團隊發現了置於硅基底上的磁性石墨烯納米帶具有偏壓調製的雙段線性磁電效應(PRL 103, 187204, 2009)。最近，該團隊循著低維結構奇特的力-電-磁耦合效應這一研究思路，利用系統的第一性原理計算發現最為普遍的Si(001)表面在門電壓作用下可在硅表面上自發形成自旋磁性，且局部自旋磁矩之間傾向於鐵磁性耦合。表面磁性起源於硅表面重構導致的局域化電子態，其在電荷摻雜下產生電子-電子相互作用而發生交換分裂。進一步研究發現採用應變硅技術可進一步增強硅表面的鐵磁性，並形成只導通單一自旋通道的半金屬的電輸運性能。
硅表面的鐵電反轉和磁電耦合
與此同時，該團隊發現Si(001)表面的硅二聚物因對稱性破壞具有自發的電極化，整個表現即使在空穴摻雜的作用下也具有較強的反鐵電性。這使得上述鐵磁性與反鐵電性罕見地共存於含空穴載流子的硅表面。更為有趣的是，在外加面內電場的作用下，硅表面的二聚物因受到靜電力的驅動發生翻轉，使得硅表面重構沿著電場方向重新排布，形成具有鐵電性的基態。在反鐵電-鐵電轉變的同時，整個硅表面由鐵磁性轉變為非磁性狀態，證明含空穴載流子的硅表面具有相互耦合的電序與磁序，首次在不含金屬元素的純硅表面上實現了多鐵性。此外，利用應變硅技術或提高載流子濃度均可大幅降低驅動硅表面發生反鐵電-鐵電轉變所需的電場強度，顯現出硅表面獨特的力-電-磁耦合效應。
該工作為發展硅基磁電器件提供了科學基礎和可能的技術途徑。
相關論文發表在Science Bulletin 2019年第5期。論文作者包括軒嘯宇博士生，張助華教授和郭萬林院士。
論文信息：
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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