近期，我院應用物理學專業2020級本科生張丁文同學以第一作者身份在國際物理學術期刊Physical Review B110 (15), 155403 (2024) 和Applied Surface Science 653, 159128 (2024)上發表兩篇學術論文。論文研究成果是其主持的校級大學生創新訓練計劃項目主要成果。研究成果是在王建利副教授的指導下完成的。

(一) 構筑室溫范德瓦爾斯單層自旋閥

1988年巨磁阻效應的發現是自旋電子學發展史上的里程碑。基于巨磁阻效應的自旋閥器件由于其低功耗和非易失性特性在數據存儲中得到廣泛應用。2017年二維鐵磁材料的成功合成為實現自旋電子器件小型化提供了一條新途徑。隨后，范德瓦爾斯自旋閥概念被提出，其結構特點是將一個二維非磁單層插入兩個二維鐵磁單層之間。然而，基于范德瓦爾斯磁性異質結構的傳統范德瓦爾斯自旋閥，對實驗上精確制備具有理想界面的范德瓦爾斯異質結提出了重大挑戰。基于密度泛函理論和玻爾茲曼輸運理論，以二維磁性β₂-HfCr₂N₄單層為載體，提出了簡單易行的單層自旋閥和切換磁構型的可行手段。

二維磁性β₂-HfCr₂N₄單層為本征鐵磁半金屬材料，居里溫度遠高于室溫，具有易磁化的xy平面和較大的磁各向異性能量。二維β₂-HfCr₂N₄單層可以視為非磁性HfN₂層夾在兩個磁性CrN層之間，這樣獨特的結構使其可以概念化為自旋閥器件。張丁文同學的研究發現通過切換磁序配置可以實現從半金屬到半導體的轉變，磁序配置可用于表示“開”和“關”狀態。此外，在xy平面施加雙軸壓縮應變后，磁基態從鐵磁態轉變為層間反鐵磁態。在−4%應變下，二維層間反鐵磁β₂-HfCr₂N₄單層可以在約2.07 T的臨界磁場下切換到鐵磁態，這為實驗上實現磁構型的切換提供了可行途徑。值得注意的是，在壓縮應變下二維β₂-HfCr₂N₄單層仍保持自旋閥效應，在室溫下呈現出572%的巨磁阻，從帶隙和遷移率方面解釋了磁阻變化原因。

二維β₂-HfCr₂N₄單層的結構、電子局域函數、晶體場能級劈裂示意圖以及不同磁構型的能帶。

(二) 二維HfCr₂N₄基室溫雙柵自旋電子場效應管

現代微電子技術主要利用電子的電荷特性進行運算與存儲，然而基于電荷自由度的微電子器件因為量子效應的存在難以進一步微型化。面向后摩爾時代信息處理與存儲的可持續發展，自旋電子學是新一代信息技術發展和產業變革的驅動力量。如果同時利用電子的自旋特性可以進一步增加對電子的調控能力，利用電子的自旋自由度進行信息的傳遞、處理與存儲，開發新型自旋電子器件，是未來信息技術發展的關鍵。低維磁性材料載體中可以通過同時操控電荷自由度和自旋自由度處理和存儲信息發展新一代低功耗、超高速、多功能和非易失性自旋電子器件。然而，實驗合成的二維本征磁性材料居里溫度較低、環境穩定性差、尺寸和厚度可控制備困難等問題限制了其應用和發展。研究和發展低維磁性材料與器件是今后進一步突破電子器件性能、發展新一代量子器件的迫切需求。

張丁文同學結合第一性原理計算和玻爾茲曼輸運方程，研究了二維β₁-HfCr₂N₄單層的結構、電子、磁性和輸運特性，以及靜電摻雜對物性的調控。研究結果發現，二維β₁-HfCr₂N₄單層在室溫下呈現本征鐵磁半導體性質。由于雙磁原子層和較大的磁矩，二維磁性β₁-HfCr₂N₄單層具有較大的磁各向異性能和居里溫度。在靜電摻雜的影響下，二維磁性β₁-HfCr₂N₄單層保留了其鐵磁性、易磁化xy平面和高居里溫度特性。靜電摻雜將導致半導體到半金屬的轉變，電導率顯著提高。因此，二維磁性β₁-HfCr₂N₄單層可以通過靜電摻雜實現電路導通和截止行為，是雙柵場效應晶體管理想候選材料。

二維β₁-HfCr₂N₄單層在靜電摻雜下的能帶與電導率。

以上研究均在王建利副教授的指導下完成，王老師是論文通訊作者，同時，課題研究受到了陳雷鳴教授的指導。研究工作得到材料與物理學院物理學科開放課題(2022WLXK02)、校級大學生創新創業項目支持。據悉，張丁文同學以優異的課程學習成績和豐碩的科研成果保研南京大學物理學院研究生。

材料與物理學院堅持育人為本，致力于培養德智體美勞全面發展的高素質人才，注重通過第一、第二課堂提升學生的科技創新能力。學院通過本科生導師制、科研訓練拓展課程、探索性實驗項目、大學生學科競賽等課內外機制實現創新創業培養的全覆蓋。近年來本科生發表高水平科研論文30余篇；年均獲批各類大創項目40余項；年均獲得各類省級以上創新創業獎勵30余項。王建利副教授扎根人才培養的第一線，堅持做學生錘煉品格的引路人、做學生學習知識的引路人、做學生創新思維的引路人、做學生奉獻祖國的引路人，近年來培養了盛昊昊、朱怡杰、張丁文等一批物理學專業拔尖學生。

張丁文本科期間發表學術論文：

1. Dingwen Zhang(張丁文), Haoshen Ye, Meng Su, Jianli Wang^(*), Strain-tuned room-temperature spin valve effect in the HfCr₂N₄ monolayer, Phys. Rev. B110 (15), 155403(2024).

 （論文鏈接：https://doi.org/10.1103/PhysRevB.110.155403）

2. Dingwen Zhang(張丁文), Meng Su, Jingwen Zhang, Haoshen Ye, and Jianli Wang^(*), Two-dimensional HfCr₂N₄ semiconductor with intrinsic room-temperature ferromagnetism and enhanced conductivity via electrostatic doping,Appl. Surf. Sci. 653, 159128(2024).

 （論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2023.159128）

3. Yijie Zhu, Dingwen Zhang(張丁文), Haoshen Ye, Dongmei Bai, Ming Li, G. P. Zhang, Junting Zhang, and Jianli Wang(*), Magnetic and electronic properties of AlN/VSe₂ van der Waals heterostructures from combined first-principles and Schrödinger-Poisson simulations, Phys. Rev. Applied, 18 (2), 024012 (2022).