一、【導(dǎo)讀】

磁電多鐵性材料中相互耦合的鐵電和磁性序參量，為實(shí)現(xiàn)電極化的磁場(chǎng)調(diào)控或磁化的電場(chǎng)調(diào)控提供了潛在的可能性，在基礎(chǔ)凝聚態(tài)物理研究和高性能自旋電子器件應(yīng)用方面大有前途，如超快，非揮發(fā)性鐵電/磁存儲(chǔ)器。受二維范德華 (vdw) 磁性和電性材料領(lǐng)域最新進(jìn)展的啟發(fā)，人們?cè)絹?lái)越多地致力于將磁性和鐵電性集成到二維vdw材料中，這可以進(jìn)一步提高處理器件的場(chǎng)調(diào)制效率和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)密度。然而，多鐵性材料中互斥的鐵電性和磁性以及低的磁性臨界溫度和弱磁電耦合效應(yīng)，一直以來(lái)都是困擾研究人員的科學(xué)問(wèn)題。因此，設(shè)計(jì)出新型二維多鐵性材料并能夠?qū)嶒?yàn)磁電耦合效應(yīng)具有重要的實(shí)際應(yīng)用意義。

二、【成果掠影】

今日、長(zhǎng)春理工大學(xué)固態(tài)激光技術(shù)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副研究員辛潮、韓國(guó)科技大學(xué)博士后宋炳乾、江蘇大學(xué)宋永利教授以及北京大學(xué)潘鋒教授團(tuán)隊(duì)合作設(shè)計(jì)出了一種新型的二維多鐵性材料: MXene-Mo₂NCl₂。該二維材料由于其內(nèi)部的失衡的Mo離子電荷歧化現(xiàn)象，導(dǎo)致晶格結(jié)構(gòu)發(fā)生中心反演對(duì)稱性破缺，進(jìn)而產(chǎn)生面外的鐵電極化。此外，電荷歧化現(xiàn)象還導(dǎo)致了體系的反鐵磁性。同時(shí)，這種反鐵磁有序通過(guò)外加電場(chǎng)可以使其轉(zhuǎn)變成為鐵磁性。相關(guān)研究成果以“Charge disproportionation-induced multiferroics and electric field control of magnetism in a 2D MXene – Mo₂NCl₂” 為題發(fā)表在國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊《Nanoscale》上。

三、【核心創(chuàng)新點(diǎn)】

該項(xiàng)研究在二維MXene-Mo₂NCl₂材料中發(fā)現(xiàn)了反鐵磁和鐵電性共存的多鐵性。而且，其中的磁性轉(zhuǎn)變溫度高于目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的大多數(shù)二維磁性材料的Curie溫度。最后，通過(guò)外加電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)磁性的調(diào)控。

四、【數(shù)據(jù)概覽】

圖1. 單層Mo₂NCl₂的晶格結(jié)構(gòu)弛豫前后對(duì)比，聲子能帶和分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算結(jié)果圖。

(a) T相的晶格結(jié)構(gòu)圖；(b) 經(jīng)過(guò)完全弛豫后計(jì)算得到的Cm結(jié)構(gòu)圖；(c) 完全弛豫結(jié)構(gòu)時(shí)的計(jì)算的聲子譜；(d) AIMD計(jì)算的300 K時(shí)結(jié)構(gòu)的熱力學(xué)穩(wěn)定性。Mo₂NCl₂結(jié)構(gòu)在完全弛豫的情況下，發(fā)生兩個(gè)方面的結(jié)構(gòu)畸變，一是上層的Mo和Cl原子向右側(cè)移動(dòng)，二是Mo基八面體進(jìn)一步發(fā)生去中心化的畸變。通過(guò)DFT+U的計(jì)算測(cè)試，發(fā)現(xiàn)在不同的終端原子組成的MXene中只有TOO相的Mo₂NCl₂的結(jié)構(gòu)是同時(shí)具備中心反演對(duì)稱性破缺，以及動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。

圖2. Mo²⁺ 和 Mo³⁺的d軌道投影能帶和態(tài)密度圖。

(a) Mo²⁺的d軌道投影能帶圖；(b) Mo₁的d軌道和N的2p軌道投影DOS圖；(c) Mo³⁺的d軌道投影能帶圖；(d) Mo₁的d軌道和N的2p軌道投影DOS圖。由基于DFT+U計(jì)算得到的電子結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)Mo離子的電荷歧化現(xiàn)象。

圖3. 2×1×1 Mo₂NCl₂的超晶格結(jié)構(gòu)俯視圖 (沿c軸)。

(a) J₁和J₂代表最近鄰和次近鄰自旋交換相互作用；(b) 鐵磁結(jié)構(gòu)；(c) 1類反鐵磁結(jié)構(gòu)；(d) 2類反鐵磁結(jié)構(gòu)。進(jìn)而采用海森堡 (Heisenberg) 模型擬合出交換積分J₁、J₂、和DM相互作用參數(shù)D以及磁各向異性參數(shù)A。

圖4. 蒙特卡洛 (Monte Carlo) 模擬磁性轉(zhuǎn)變溫度的結(jié)果。

(a) 比熱Cv隨溫度的變化曲線；(b) 磁化率和磁矩隨溫度的變化曲線?；?strong>海森堡模型，通過(guò)蒙特卡洛模擬最終計(jì)算出Mo₂NCl₂的磁性轉(zhuǎn)變溫度為~168 K。高于目前研究較為廣泛的CrI₃ (T_C = 45 K)和Cr₂Ge₂Te₆ (T_C = 30K)。

圖5. DFT+U計(jì)算得到的靜電勢(shì)以及鐵電翻轉(zhuǎn)能壘。

(a) Cm結(jié)構(gòu)的Mo₂NCl₂的靜電勢(shì)、電偶極矩以及Bader電荷分布；(b) 通過(guò)NEB方法計(jì)算得到的鐵電翻轉(zhuǎn)路徑和翻轉(zhuǎn)能壘。

圖6. 外加電場(chǎng)情況下的交換能E_afm2–E_fm的變化曲線。

通過(guò)對(duì)Cm相的Mo₂NCl₂的c軸方向施加外電場(chǎng)，比較2類反鐵磁和鐵磁能量變化，觀測(cè)磁性在外加電場(chǎng)時(shí)的變化狀態(tài)，最終實(shí)現(xiàn)磁化的電場(chǎng)調(diào)控。

五、【成果啟示】

此項(xiàng)研究基于密度泛函理論的第一性原理計(jì)算，設(shè)計(jì)出一種新型的二維MXene反鐵磁/鐵電-多鐵性材料Mo₂NCl₂。其中表現(xiàn)出out-off-plane的電極化本征的反鐵磁性。通過(guò)聲子譜和AIMD的計(jì)算證實(shí)了體系的動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)穩(wěn)定性。利用蒙特卡洛模擬計(jì)算了Mo₂NCl₂的磁性轉(zhuǎn)變溫度為168K，高于目前研究的大部分二維多鐵性材料的臨界溫度。我們的工作為單層MXene的應(yīng)用提供了機(jī)會(huì)Mo₂NCl₂，建立了一個(gè)設(shè)計(jì)2D可切換平面外電極化的模型，并發(fā)現(xiàn)了一類具有可開(kāi)關(guān)磁化以及平面外極化的理想2D多鐵性材料，對(duì)下一代納米電子和納米自旋電子器件具有重要意義。

原文詳情：

Charge disproportionation-induced multiferroics and electric field control of magnetism in a 2D MXene – Mo₂NCl₂. Nanoscale. (2023).

原文鏈接：

https://doi.org/10.1039/D3NR02600K

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