實現室溫強磁電耦合的二維本征多鐵材料|進展

多鐵材料（Multiferroics）因其同時具有鐵電與磁有序并存在內稟磁電耦合效應，是實現電場調控磁性、構建低功耗自旋電子器件的重要材料平臺。然而，傳統體相多鐵材料（如BiFeO?、TbMnO?）長期面臨極化強度有限、磁電耦合系數較弱等問題，嚴重制約其器件化應用。隨著二維范德瓦耳斯（vdW）材料的迅速發展，人們發現層狀材料中的層間堆疊序與磁構型可通過外場精確調控，從而為多鐵性的實現提供了新的途徑。然而，已報道的二維本征多鐵體系往往存在磁轉變溫度低、空氣穩定性差或磁電耦合缺乏直接實驗證據等問題。因此，在空氣穩定且室溫可工作的二維體系中實現本征磁電耦合，仍然是國際研究前沿亟待突破的關鍵方向。

中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心表面物理國家重點實驗室SF09組陳嵐研究員近年來在二維鐵序的探測以及二維雙層同質結的新奇物性方面已積累深厚基礎，包括在鉍烯的單質鐵電性[Nature 617, 67 (2023)]，GaSe的滑移鐵電性[Nat. Commun. 14, 2757 (2023)]，單層CuCrSe?的多鐵性[Nat. Commun. 15, 4252 (2024)]，單層NiI?的自旋極化邊緣態[Nat. Commun. 15, 10916 (2024)]以及雙層InSe的莫爾拓撲性[Nat. Commun. 16, 9453 (2025)]。

近期，研究團隊在雙層CrTe?體系中發現一種交替反鐵磁/鐵磁的層狀磁結構。在該結構中，由于層間電荷轉移引發的靜電勢差，自發破壞體系反演對稱性，從而產生可翻轉的面外鐵電極化。研究團隊通過分子束外延（MBE）在超高真空條件下制備了高質量雙層CrTe?薄膜。結合第一性原理計算與掃描隧道顯微鏡（STM）、壓電響應力顯微鏡（PFM）和磁力顯微鏡（MFM）等多種實驗手段，系統驗證了該體系的多鐵本征屬性。實驗結果表明：反鐵磁與鐵磁層之間的電勢差導致反演對稱性自發破缺，并形成穩定的面外鐵電極化。更為重要的是，研究團隊在該體系中實現了室溫與空氣穩定條件下的“電寫磁讀”（electrical writing and magnetic reading）功能：通過外加電場翻轉極化方向，可同步改變層間磁構型，實現非易失性的磁態調控。這一實驗結果直接證明了二維極限下的磁電耦合可實現可逆操控。該工作提出了基于層間反鐵磁/鐵磁結構的二維單相多鐵材料設計原則，為構建可室溫運行的二維磁電器件提供了新的材料路徑。相關成果不僅深化了對二維多鐵物理機制的理解，也為CMOS兼容、低功耗自旋存儲器件的發展奠定了重要物理基礎。

圖. 雙層 CrTe?的原子結構和電寫磁讀（PFM電寫入與MFM磁讀取）

相關工作以“Room-temperature two-dimensional multiferroic metal with voltage-controllable magnetic order”為題發表于Nature Materials。物理所博士后田大鋮、浙江大學博士生鐘淑琳和物理所博士生董建宇為文章共同第一作者，物理所陳嵐研究員、浙江大學的陸赟豪教授和北京航空航天大學的杜軼教授為論文通訊作者。研究得到了科技部重點研發計劃、國家自然科學基金、廣西重大科技專項、浙江省自然科學基金、中國科學院青年科學家基礎研究項目及中國博士后科學基金等的資助。

編輯：子木