【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，北京理工大學(xué)集成電路與電子學(xué)院孫家濤教授在過(guò)渡金屬修飾單層三鹵化鉻多鐵性領(lǐng)域理論研究中取得重要進(jìn)展，相關(guān)成果以“Intrinsic single-layer multiferroics in transition-metal-decorated chromium trihalides”(過(guò)渡金屬修飾三鹵化鉻單層的本征多鐵性)為題發(fā)表與國(guó)際知名期刊《npj Computational Materials》(IF：9.4，中科院大類(lèi)一區(qū))。
 

　　隨著信息時(shí)代的高速發(fā)展，人們對(duì)于信息存儲(chǔ)的需求越來(lái)越高。傳統(tǒng)半導(dǎo)體技術(shù)主要依賴以電荷為信息載體的晶體管單元，實(shí)現(xiàn)對(duì)信息的表達(dá)、存儲(chǔ)、傳輸和處理。隨著摩爾定律的失效，如何利用新原理、新結(jié)構(gòu)和新材料來(lái)解決這一器件問(wèn)題是后摩爾時(shí)代半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展重點(diǎn)。研究人員充分意識(shí)到集成電路器件的微型化、集成化和多功能化對(duì)二維多鐵器件提出的新挑戰(zhàn)。因此，尋找新型單層多鐵材料對(duì)于發(fā)展下一代自旋電子學(xué)器件及其電路集成具有重要的意義。
 

　　長(zhǎng)期以來(lái)，人們一直在尋找具有本征多鐵性的二維材料，以實(shí)現(xiàn)納米電子器件中磁電耦合的應(yīng)用。本工作中作者利用過(guò)渡金屬原子修飾單層三鹵化鉻實(shí)現(xiàn)了單層穩(wěn)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(chǎng)對(duì)其鐵電性的調(diào)控。面外鐵電極化表現(xiàn)出較強(qiáng)的原子選擇性，作者發(fā)現(xiàn)了84種基于過(guò)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(guò)群論分析揭示了這種現(xiàn)象依賴于p-d耦合和晶體場(chǎng)劈裂。Cu修飾增強(qiáng)了三鹵化物的本征鐵磁性，并且提高了鐵磁轉(zhuǎn)變溫度。通過(guò)計(jì)算不同鐵電結(jié)構(gòu)(反鐵電和鐵電)的電極化，作者研究了該系統(tǒng)中的磁電耦合效應(yīng)。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(chǎng)調(diào)控、能量存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換應(yīng)用提供了新機(jī)遇。此外，作者利用非平衡格林函數(shù)方法，計(jì)算了雙電極Cu(CrBr3)2器件的輸運(yùn)性質(zhì)，結(jié)果表明，Cu(CrBr3)2器件具有出色的自旋過(guò)濾特性和低偏壓負(fù)微分電阻(Negative differential resistance, NDR)效應(yīng)，具有低功耗的開(kāi)關(guān)響應(yīng)特性。作者的研究不僅深化了對(duì)二維多鐵性材料的認(rèn)識(shí)，預(yù)測(cè)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(qiáng)機(jī)制，在納米電子和自旋電子器件領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
 

圖1 單層Cu(CrX3)2原子結(jié)構(gòu)和投影態(tài)密度圖
 

圖2 鐵電翻轉(zhuǎn)路徑及能帶圖
 

圖3 CrX3和Cu(CrX3)2的磁性
 

圖4 磁電耦合效應(yīng)
 

圖5 Cu(CrBr3)2器件的輸運(yùn)特性示意圖
 

　　北京理工大學(xué)為第一通訊單位，北京理工大學(xué)集成電路與電子學(xué)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(guó)科學(xué)院物理研究所高鴻鈞院士和北京理工大學(xué)物理學(xué)院江兆潭教授的大力支持。該研究得到了科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、中科院先導(dǎo)項(xiàng)目提供的資金支持，上海超級(jí)計(jì)算中心及校內(nèi)外計(jì)算測(cè)試平臺(tái)提供了相應(yīng)的仿真計(jì)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)