北京理工大学团队在二维单层多铁材料的理论研究方面取得重要进展

近日，北京理工大学集成电路与电子学院孙家涛教授在过渡金属修饰单层三卤化铬多铁性领域理论研究中取得重要进展，相关成果以“Intrinsic single-layer multiferroics in transition-metal-decorated chromium trihalides”（过渡金属修饰三卤化铬单层的本征多铁性）为题发表与国际知名期刊《npj Computational Materials》（IF：9.4，中科院大类一区）。

随着信息时代的高速发展，人们对于信息存储的需求越来越高。传统半导体技术主要依赖以电荷为信息载体的晶体管单元，实现对信息的表达、存储、传输和处理。随着摩尔定律的失效，如何利用新原理、新结构和新材料来解决这一器件问题是后摩尔时代半导体技术的发展重点。研究人员充分意识到集成电路器件的微型化、集成化和多功能化对二维多铁器件提出的新挑战。因此，寻找新型单层多铁材料对于发展下一代自旋电子学器件及其电路集成具有重要的意义。

长期以来，人们一直在寻找具有本征多铁性的二维材料，以实现纳米电子器件中磁电耦合的应用。本工作中作者利用过渡金属原子修饰单层三卤化铬实现了单层稳定的Ⅰ型多铁性，并且其电极化为面外铁电极化，这有利于外场对其铁电性的调控。面外铁电极化表现出较强的原子选择性，作者发现了84种基于过渡金属的单层多铁材料，其中有12种具有面外铁电或反铁电极化。通过群论分析揭示了这种现象依赖于p-d耦合和晶体场劈裂。Cu修饰增强了三卤化物的本征铁磁性，并且提高了铁磁转变温度。通过计算不同铁电结构（反铁电和铁电）的电极化，作者研究了该系统中的磁电耦合效应。在这些体系中作者获得了铁电相和反铁电相，为磁性材料的外场调控、能量存储和转换应用提供了新机遇。此外，作者利用非平衡格林函数方法，计算了双电极Cu(CrBr3)2器件的输运性质，结果表明，Cu(CrBr3)2器件具有出色的自旋过滤特性和低偏压负微分电阻（Negative differential resistance, NDR）效应，具有低功耗的开关响应特性。作者的研究不仅深化了对二维多铁性材料的认识，预测了多种具有面外铁电极化的新材料，并揭示了其铁电性和铁磁性增强机制，在纳米电子和自旋电子器件领域具有广阔的应用前景。

图1 单层Cu(CrX3)2原子结构和投影态密度图

图2 铁电翻转路径及能带图

图3 CrX3和Cu(CrX3)2的磁性

图4 磁电耦合效应

图5 Cu(CrBr3)2器件的输运特性示意图

北京理工大学为第一通讯单位，北京理工大学集成电路与电子学院博士研究生刘猛为本文第一作者，孙家涛教授为论文通讯作者。本工作得到了中国科学院物理研究所高鸿钧院士和北京理工大学物理学院江兆潭教授的大力支持。该研究得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金、中科院先导项目提供的资金支持，上海超级计算中心及校内外计算测试平台提供了相应的仿真计算条件。

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)