Phys Rev Lett：二维多铁性材料研究取得进展

磁电多铁性材料不仅集成了铁电性与磁性的功能性质，而且不同铁性序之间可能存在耦合效应，为实现磁性和铁电性的交叉调控提供了基础，使其成为在自旋电子器件、传感器及数据存储等领域具有广阔应用前景的一类新型多功能材料。近几年来，随着二维铁磁性及二维铁电性相继被实验证实，自然地衍生出一个新的科学问题，即铁磁性与铁电性共存且耦合的二维多铁性材料是否存在？目前，对于二维多铁性材料的探索基本集中在范德华尔斯材料领域。最近，可降至单层极限且无应力束缚的钙钛矿氧化薄膜的成功制备（Nat. Mater., 2016, 15, 1255; Sci. Adv., 2017, 3, eaao5173; Nature, 2019, 570, 87）为探索二维钙钛矿氧化物中的功能性质的研究打开了大门。

图1.（a）磁性双钙钛矿双层原型相及由各种氧八面体旋转类型导致的扭曲结构；（b）极性扭曲模式及（c）与氧八面体同相旋转和倾斜扭曲模式之间的耦合。

近日，中国矿业大学材料与物理学院张俊廷副教授和南京大学物理学院吕笑梅教授团队提出了一种基于二维钙钛矿氧化物实现具有本征磁电耦合效应的二维多铁性材料的设计思路。在钙钛矿过渡金属氧化物中，氧八面体的旋转扭曲比较常见，其通常只调制材料磁性而并不破坏中心反演对称。群论分析表明当钙钛矿氧化物块体降低为二维双层时，氧八面体的同相旋转和倾斜扭曲的结合能够诱导出铁电性（图1）。进一步地，通过设计B位磁性离子组合，即拓展到磁性双钙钛矿双层体系，可以同时实现铁磁性或亚铁磁性。重要的是，该类设计体系中铁电极化的转换由氧八面体的旋转或倾斜扭曲的翻转实现，其为极化和磁化方向的直接耦合奠定了基础，可导致铁电转换过程中面内磁化方向发生翻转。研究表明该类体系中存在两种极化与磁化耦合的独特机制，其分别依赖于铁电转换过程中氧八面体扭曲的翻转导致的易磁化轴方向的变化（图2）和DM矢量的旋转。这项研究为实现具有磁电耦合效应的二维多铁性材料提供了一种普适的设计原则，且有助于实现电场对二维磁性的控制（图3）。

图2.（a）铁电转换初态、中间态和末态的磁各向异性能；（b）铁电极化翻转导致的磁化方向变化示意图；（c）从铁电转换初态到中间态的磁各向异性演化。

图3. 电场调控磁化方向示意图

相关论文发表在物理学权威学术期刊Physical Review Letters 上。论文获得了国家重点研究项目和自然学基金面上项目的资助。

原文：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.017601

Design of Two-Dimensional Multiferroics with Direct Polarization-Magnetization Coupling

Junting Zhang, Xiaofan Shen, Yancheng Wang, Chao Ji, Ying Zhou, Jianli Wang, Fengzhen Huang, Xiaomei Lu

Phys. Rev. Lett., 2020, 125, 017601, DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.017601

X-MOL导师介绍：

张俊廷

https://www.x-mol.com/university/faculty/230109

吕笑梅

https://www.x-mol.com/university/faculty/63314