在信息技術(shù)不斷追求更高速度和更低能耗的今天，人們一直在尋找稱之為“多鐵材料”的新型材料：既能用電場寫入信息，又能通過磁性讀取信息。如果能夠?qū)崿F(xiàn)這種功能，未來的電子器件將大幅降低能耗，并可能推動新一代存儲與計(jì)算技術(shù)的發(fā)展。多鐵材料能夠同時具有鐵電性和磁性，并通過所謂的磁電耦合效應(yīng)實(shí)現(xiàn)兩種物理性質(zhì)之間的相互控制。然而，在現(xiàn)實(shí)材料中，這兩種性質(zhì)往往很難共存。傳統(tǒng)塊體多鐵材料常常存在極化強(qiáng)度較小、磁電耦合弱以及環(huán)境穩(wěn)定性差等問題，這些因素限制了它們在電子器件中的應(yīng)用。二維材料的興起為解決這些問題提供了新的可能，但能夠在室溫條件下穩(wěn)定工作的二維多鐵體系仍然非常罕見。

近日，北京航空航天大學(xué)物理學(xué)院杜軼團(tuán)隊(duì)與合作者團(tuán)隊(duì)在《Nature Materials》發(fā)表題為“Room-temperature two-dimensional multiferroic metal with voltage-controllable magnetic order”的文章報(bào)道了一種在空氣中穩(wěn)定的雙層CrTe?材料，在室溫下同時具有鐵電性和磁性，并且兩者可以相互調(diào)控的室溫多鐵性，為這一目標(biāo)提供了重要突破。

https://doi.org/10.1038/s41563-026-02537-2

這種材料是由兩層原子級厚度的二碲化鉻（CrTe?）組成的二維晶體。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)CrTe?只有單層時，它表現(xiàn)出反鐵磁特性；而當(dāng)材料形成雙層結(jié)構(gòu)時，兩層之間會出現(xiàn)一種特殊的磁性排列：一層呈現(xiàn)反鐵磁序，而另一層呈現(xiàn)鐵磁序。這種層間磁性差異使材料在室溫下同時具備磁性與電極化特性，從而成為一種罕見的二維多鐵金屬。通過掃描隧道顯微鏡、低能電子衍射等手段，首先確認(rèn)了材料的原子結(jié)構(gòu)和層狀排列。隨后，利用超導(dǎo)量子干涉磁強(qiáng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)雙層CrTe?在室溫仍保持明顯的鐵磁特性，而單層則表現(xiàn)為反鐵磁性。為了進(jìn)一步確認(rèn)材料是否具有鐵電性，研究團(tuán)隊(duì)使用壓電力顯微鏡進(jìn)行測量。結(jié)果顯示，雙層CrTe?出現(xiàn)了典型的鐵電滯回曲線，并且極化方向可以通過外加電壓進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，而單層材料則沒有這種現(xiàn)象。這意味著只有在雙層結(jié)構(gòu)中，材料才同時具備鐵電和磁性兩種性質(zhì)。

圖1 單/雙層CrTe?的原子結(jié)構(gòu)與電子性質(zhì)表征，顯示出典型的二維層狀結(jié)構(gòu)和金屬性質(zhì)。

本工作還展示了一種長期以來被認(rèn)為是多鐵材料重要應(yīng)用目標(biāo)的功能：“電寫入、磁讀取”。在實(shí)驗(yàn)中，他們先通過施加電壓在材料表面寫入特定的鐵電疇結(jié)構(gòu)，然后利用磁力顯微鏡對同一區(qū)域進(jìn)行磁成像。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，電場寫入的極化結(jié)構(gòu)會直接改變材料的磁疇分布，這表明電極化能夠控制磁性狀態(tài)，證明了兩者之間存在強(qiáng)磁電耦合。理論分析進(jìn)一步揭示了這種耦合的物理機(jī)制。傳統(tǒng)多鐵材料通常依賴自旋軌道耦合來產(chǎn)生磁電效應(yīng)，但這種機(jī)制在高溫下往往不穩(wěn)定。而在雙層CrTe?中，研究人員提出了一種不同的機(jī)制：由于鐵磁層和反鐵磁層對電子填充的需求不同，電子會在兩層之間發(fā)生轉(zhuǎn)移，從而形成電荷不對稱。這種電荷重新分布會打破晶體的反演對稱性，產(chǎn)生自發(fā)電極化，同時又與磁性排列密切相關(guān)。換句話說，磁性結(jié)構(gòu)和電極化是通過層間電荷轉(zhuǎn)移緊密聯(lián)系在一起的。這一機(jī)制為設(shè)計(jì)二維多鐵材料提供了一種新的思路：通過調(diào)控電子填充和層間相互作用，可以在原子級薄膜中構(gòu)建穩(wěn)定的多鐵體系。這種策略有望推廣到其他層狀材料中，從而進(jìn)一步拓展二維多鐵材料家族。

圖2 雙層CrTe?的室溫多鐵性。

通過超導(dǎo)量子干涉儀（SQUID）測量顯示雙層CrTe2顯示出明顯的室溫鐵磁性質(zhì)。壓電力顯微鏡證明鐵電電滯回線僅存在于雙層CrTe?中。

圖3 多鐵性雙層CrTe?的PFM電寫入與MFM磁讀取。

在雙層CrTe?中寫入鐵電疇結(jié)構(gòu)的信息后（PFM圖像）可以發(fā)現(xiàn)影響了磁疇的翻轉(zhuǎn)。在雙層CrTe?相同區(qū)域拍攝的MFM圖像，顯示了鐵電極化寫入后的磁疇重構(gòu)。隨著PFM寫入偏壓的增加，在PFM和MFM通道中，寫入信息的區(qū)域隨施加相反偏壓區(qū)域的對比度均變得更強(qiáng)。

從應(yīng)用角度來看，這一發(fā)現(xiàn)為開發(fā)超低功耗自旋電子器件提供了新的材料平臺。例如，在未來的存儲芯片中，信息可以通過電壓寫入，而讀取則通過磁信號完成，從而顯著降低能耗并提高效率。與此同時，二維多鐵材料還可能在量子傳感、可編程磁電子器件以及后摩爾時代的納米電子學(xué)中發(fā)揮重要作用。

圖4 金屬性雙層CrTe?中凈極化的產(chǎn)生機(jī)制。

北京航空航天大學(xué)物理學(xué)院杜軼教授、中科院物理研究所陳嵐研究員、浙江大學(xué)物理學(xué)院陸赟豪教授為共同通訊作者。合作單位還包括中國科學(xué)院大學(xué)、牛津儀器、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)國家同步輻射實(shí)驗(yàn)室、中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院強(qiáng)磁場科學(xué)中心、松山湖材料實(shí)驗(yàn)室、浙江錢塘高等研究院、東方理工大學(xué)。

本文來自“北京航空航天大學(xué)”。

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