實(shí)現(xiàn)室溫強(qiáng)磁電耦合的二維本征多鐵材料|進(jìn)展

多鐵材料（Multiferroics）因其同時(shí)具有鐵電與磁有序并存在內(nèi)稟磁電耦合效應(yīng)，是實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)調(diào)控磁性、構(gòu)建低功耗自旋電子器件的重要材料平臺(tái)。然而，傳統(tǒng)體相多鐵材料（如BiFeO?、TbMnO?）長(zhǎng)期面臨極化強(qiáng)度有限、磁電耦合系數(shù)較弱等問題，嚴(yán)重制約其器件化應(yīng)用。隨著二維范德瓦耳斯（vdW）材料的迅速發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)層狀材料中的層間堆疊序與磁構(gòu)型可通過外場(chǎng)精確調(diào)控，從而為多鐵性的實(shí)現(xiàn)提供了新的途徑。然而，已報(bào)道的二維本征多鐵體系往往存在磁轉(zhuǎn)變溫度低、空氣穩(wěn)定性差或磁電耦合缺乏直接實(shí)驗(yàn)證據(jù)等問題。因此，在空氣穩(wěn)定且室溫可工作的二維體系中實(shí)現(xiàn)本征磁電耦合，仍然是國(guó)際研究前沿亟待突破的關(guān)鍵方向。

中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心表面物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室SF09組陳嵐研究員近年來在二維鐵序的探測(cè)以及二維雙層同質(zhì)結(jié)的新奇物性方面已積累深厚基礎(chǔ)，包括在鉍烯的單質(zhì)鐵電性[Nature 617, 67 (2023)]，GaSe的滑移鐵電性[Nat. Commun. 14, 2757 (2023)]，單層CuCrSe?的多鐵性[Nat. Commun. 15, 4252 (2024)]，單層NiI?的自旋極化邊緣態(tài)[Nat. Commun. 15, 10916 (2024)]以及雙層InSe的莫爾拓?fù)湫訹Nat. Commun. 16, 9453 (2025)]。

近期，研究團(tuán)隊(duì)在雙層CrTe?體系中發(fā)現(xiàn)一種交替反鐵磁/鐵磁的層狀磁結(jié)構(gòu)。在該結(jié)構(gòu)中，由于層間電荷轉(zhuǎn)移引發(fā)的靜電勢(shì)差，自發(fā)破壞體系反演對(duì)稱性，從而產(chǎn)生可翻轉(zhuǎn)的面外鐵電極化。研究團(tuán)隊(duì)通過分子束外延（MBE）在超高真空條件下制備了高質(zhì)量雙層CrTe?薄膜。結(jié)合第一性原理計(jì)算與掃描隧道顯微鏡（STM）、壓電響應(yīng)力顯微鏡（PFM）和磁力顯微鏡（MFM）等多種實(shí)驗(yàn)手段，系統(tǒng)驗(yàn)證了該體系的多鐵本征屬性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：反鐵磁與鐵磁層之間的電勢(shì)差導(dǎo)致反演對(duì)稱性自發(fā)破缺，并形成穩(wěn)定的面外鐵電極化。更為重要的是，研究團(tuán)隊(duì)在該體系中實(shí)現(xiàn)了室溫與空氣穩(wěn)定條件下的“電寫磁讀”（electrical writing and magnetic reading）功能：通過外加電場(chǎng)翻轉(zhuǎn)極化方向，可同步改變層間磁構(gòu)型，實(shí)現(xiàn)非易失性的磁態(tài)調(diào)控。這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果直接證明了二維極限下的磁電耦合可實(shí)現(xiàn)可逆操控。該工作提出了基于層間反鐵磁/鐵磁結(jié)構(gòu)的二維單相多鐵材料設(shè)計(jì)原則，為構(gòu)建可室溫運(yùn)行的二維磁電器件提供了新的材料路徑。相關(guān)成果不僅深化了對(duì)二維多鐵物理機(jī)制的理解，也為CMOS兼容、低功耗自旋存儲(chǔ)器件的發(fā)展奠定了重要物理基礎(chǔ)。

圖. 雙層 CrTe?的原子結(jié)構(gòu)和電寫磁讀（PFM電寫入與MFM磁讀取）

相關(guān)工作以“Room-temperature two-dimensional multiferroic metal with voltage-controllable magnetic order”為題發(fā)表于Nature Materials。物理所博士后田大鋮、浙江大學(xué)博士生鐘淑琳和物理所博士生董建宇為文章共同第一作者，物理所陳嵐研究員、浙江大學(xué)的陸赟豪教授和北京航空航天大學(xué)的杜軼教授為論文通訊作者。研究得到了科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、廣西重大科技專項(xiàng)、浙江省自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院青年科學(xué)家基礎(chǔ)研究項(xiàng)目及中國(guó)博士后科學(xué)基金等的資助。

編輯：子木