可能打破“多铁多愁”困局的二维多铁材料 | NSR研究论文

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多铁性材料可以兼具铁电性和铁磁性，但无论是I类多铁还是II类多铁，都难逃“多铁多愁”的困局：强铁电/铁磁性能与强磁电耦合不可兼得。I类多铁中磁和铁电的起源相互独立，基本没有磁电耦合；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。

近年来，随着二维功能材料的快速发展，人们开始尝试在原子厚度的二维体系中实现多铁功能。一系列理论预测表明，与三维体系相比，二维多铁中的对称性要求不再那么严酷，可能拥有更加丰富多样的磁电耦合方式。

在此背景下，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，其极化还能增强Cr离子磁性并与之产生耦合。这种铁电、铁磁产生模式是一种在三维材料中很少见到的新模式。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。也就是说，如果能将这一理论思路付诸实现，那么该类二维多铁材料很可能可以克服铁电和铁磁的矛盾，兼具铁磁、铁电和强磁电耦合，打破传统单相多铁中三者无法兼得的“多愁”困局。

除此之外，磁性薄层的层间耦合系数分布呈现出一定的梯度，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中，铁电翻转时，磁矩也发生180度翻转，翻转磁矩可达2.62  µ_B/f.u.，可用于实现高效的“电写+磁读”。

该研究以“Room-Temperature Multiferroicity and Diversified Magnetoelectric Couplings in Two-Dimensional Materials”为题发表于《国家科学评论》（National Science Review, NSR），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。

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