我国学者在二维材料磁电耦合理论研究方面取得进展

时间：2022-07-26 10:27:41 来源：网络整理

图 1 范德瓦尔斯多铁体系中的室温电控磁效应

图2 二硫化铼铁电性质的理论预言与实验验证

在国家自然科学基金项目（批准号：T2125004、12004182、11774173、11674295）的资助下，南京理工大学阚二军教授课题组在二维材料磁电耦合理论研究方面，揭示了二维范德瓦尔斯体系中室温下铁电序对磁序的调控机制，相关研究成果以“范德瓦尔斯多铁体系中的室温电控磁序（Toward Room-Temperature Electrical Control of Magnetic Order in Multiferroic van der Waals Materials）”为题发表在《纳米快报》（Nano Letters）。论文链接为：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.2c00930。该课题组还与中国科学技术大学曾华凌教授课题组、北京大学戴伦教授课题组合作，在室温二维铁电半导体研究方面取得新突破，相关研究成果以“少层1T’结构二硫化铼的室温铁电性质（Room-temperature ferroelectricity in 1T"-ReS2 multilayers）”为题发表在《物理评论快报》（physical Review Letters）。论文链接为：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/physRevLett.128.067601。

铁电材料方向可随外加电场调控自发极化，在传感器和信息存储方面有着广泛应用潜力。随着微纳集成技术飞速发展，铁电元件微型化、集成化、多功能化成为发展趋势，纳米尺度下铁电性能的研究一直是新型功能材料的关注热点。但随着研究的推进，在进一步减薄材料的过程中又出现了新的界面效应和尺寸问题。如何在二维或更低维度材料中整合铁电性、铁磁性以及磁电耦合性质，继而发展出多稳态、多功能的纳米电子设备，已成为研究者追求的目标之一。

阚二军课题组及其合作者揭示了范德瓦尔斯二维磁电体系中室温电控磁序相变机制。他们设计了一类具有室温铁磁铁电性和垂直于表面的铁电极化的二维过渡金属碳/氮化物材料，这类材料与MXenes家族具有类似的结构，具有良好的化学稳定性，且有望通过CVD等方法进行制备。研究结果表明这类二维磁电多铁体系中存在明显的自旋-电荷相互作用（图1），铁电极化方向翻转会导致自旋的空间分布发生变化，从而显著影响层间磁耦合，导致铁磁-反铁磁序相变，实现室温电控磁序相变。

此外，阚二军课题组及其合作者还通过理论与实验结合，成功观测到具有半导体性质的两层及少层1T’相二硫化铼的室温铁电极化（图2）。研究数据表明双层二硫化铼的居里温度约为405 K，高于室温，且存在垂直极化方向的铁电性质。研究团队基于双层二硫化铼的垂直铁电性成功制作出铁电隧道结器件，充分展现了二维铁电材料在微纳电子器件领域的应用前景。

该系列成果为二维材料量子态调控提供了新途径，为实现强磁电耦合效应提供了新思路，并为新型铁电元器件的设计和开发奠定了理论基础。

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