作者:吴梦昊等 来源:《国家科学评论》 发布时间:2020/6/4 9:05:28
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二维多铁材料中多样的磁电耦合

自石墨烯之后,二维功能材料的发展呈现快速发展。在原子厚度的二维体系中实现那些三维体系的功能,很显然是科学家追求的目标,清晰而可行。信息存储和处理中最重要的铁性(铁电、铁磁和多铁性)功能亦是如此。近年来,已有若干二维铁磁和二维铁电体系在实验中得到证实。很自然,二维多铁性材料必然受到人们的关注。

一系列理论预测表明,二维多铁中的磁电耦合似乎更加丰富多样,因此更加值得追求。二维材料中,多铁性也存在I类和II类,虽然它们也逃不出“多铁多愁”的局限:(1) I类多铁中磁和铁电起源相互独立,基本没有磁电耦合;(2) II类多铁中铁电起源于磁序,有较强磁电耦合,但铁电极化强度和居里温度等性能都远不尽人意。

不过,二维材料与三维体系比较,重要的区别之一在于维度的释放和对称性要求不再那么严酷,因此给了学者一些新的机会。基于上述挑战,也基于这种机会,华中科技大学吴梦昊教授课题组别出心裁,通过第一性原理计算,预测了一种既不是I类也不是II类的二维多铁材料:CuCrX2 (X=S, Se)磁性薄层材料。其中,Cu离子的空间四面体配位构型产生了稳定的垂直铁电,其极化还能够增强Cr离子磁性并与之产生耦合。这种铁电、铁磁产生模式即三维材料中很少见到的新思路。有趣的是,这种模式下,铁电和铁磁居里温度都可达到室温以上。

除此之外,磁性薄层的层间耦合系数分布呈现了一定的梯度,而不同层数的薄层中可呈现多样的磁电耦合。在某些特定层数的体系,铁电翻转时,磁矩也发生了180度的翻转,翻转磁矩可达2.62 µB/f.u.,可用于实现高效的“电写+磁读”。

毫无疑问,这一理论思路如果能够付诸实现,则该类二维多铁材料有很大可能性可以克服铁电和铁磁的矛盾,能够兼具铁磁、铁电和强磁电耦合,有望打破传统单相多铁三者无法兼得的“多愁”困局。

该研究以“Room-Temperature Multiferroicity and Diversified Magnetoelectric Couplings in Two-Dimensional Materials”为题发表于National Science Review,作者为华中科技大学博士生钟婷婷和李晓勇、吴梦昊教授和南京大学刘俊明教授。(来源:科学网)

相关论文连接:https://doi.org/10.1093/nsr/nwz169

 
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