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近日，北京理工大學集成電路與電子學院孫家濤教授在過渡金屬修飾單層三鹵化鉻多鐵性領域理論研究中取得重要進展，相關成果以“Intrinsic single-layer multiferroics in transition-metal-decorated chromium trihalides”（過渡金屬修飾三鹵化鉻單層的本征多鐵性）為題發表與國際知名期刊《npj Computational Materials》（IF：9.4，中科院大類一區）。

隨著信息時代的高速發展，人們對于信息存儲的需求越來越高。傳統半導體技術主要依賴以電荷為信息載體的晶體管單元，實現對信息的表達、存儲、傳輸和處理。隨著摩爾定律的失效，如何利用新原理、新結構和新材料來解決這一器件問題是后摩爾時代半導體技術的發展重點。研究人員充分意識到集成電路器件的微型化、集成化和多功能化對二維多鐵器件提出的新挑戰。因此，尋找新型單層多鐵材料對于發展下一代自旋電子學器件及其電路集成具有重要的意義。

長期以來，人們一直在尋找具有本征多鐵性的二維材料，以實現納米電子器件中磁電耦合的應用。本工作中作者利用過渡金屬原子修飾單層三鹵化鉻實現了單層穩定的Ⅰ型多鐵性，并且其電極化為面外鐵電極化，這有利于外場對其鐵電性的調控。面外鐵電極化表現出較強的原子選擇性，作者發現了84種基于過渡金屬的單層多鐵材料，其中有12種具有面外鐵電或反鐵電極化。通過群論分析揭示了這種現象依賴于p-d耦合和晶體場劈裂。Cu修飾增強了三鹵化物的本征鐵磁性，并且提高了鐵磁轉變溫度。通過計算不同鐵電結構（反鐵電和鐵電）的電極化，作者研究了該系統中的磁電耦合效應。在這些體系中作者獲得了鐵電相和反鐵電相，為磁性材料的外場調控、能量存儲和轉換應用提供了新機遇。此外，作者利用非平衡格林函數方法，計算了雙電極Cu(CrBr3)2器件的輸運性質，結果表明，Cu(CrBr3)2器件具有出色的自旋過濾特性和低偏壓負微分電阻（Negative differential resistance, NDR）效應，具有低功耗的開關響應特性。作者的研究不僅深化了對二維多鐵性材料的認識，預測了多種具有面外鐵電極化的新材料，并揭示了其鐵電性和鐵磁性增強機制，在納米電子和自旋電子器件領域具有廣闊的應用前景。

圖1 單層Cu(CrX3)2原子結構和投影態密度圖

圖2 鐵電翻轉路徑及能帶圖

圖3 CrX3和Cu(CrX3)2的磁性

圖4 磁電耦合效應

圖5 Cu(CrBr3)2器件的輸運特性示意圖

北京理工大學為第一通訊單位，北京理工大學集成電路與電子學院博士研究生劉猛為本文第一作者，孫家濤教授為論文通訊作者。本工作得到了中國科學院物理研究所高鴻鈞院士和北京理工大學物理學院江兆潭教授的大力支持。該研究得到了科技部重點研發計劃、國家自然科學基金、中科院先導項目提供的資金支持，上海超級計算中心及校內外計算測試平臺提供了相應的仿真計算條件。

Meng Liu, Shuyi He, Hongyan Ji, Jingda Guo,Zhaotan Jiang, and Jia-Tao Sun*, Hong-Jun Gao. Intrinsic single-layer multiferroics in transition-metal-decorated chromium trihalides. npj Computational Materials 10, 180 (2024)

全文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41524-024-01369-5