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【材料】第一性原理预测二维室温三铁耦合
高效、低功耗的存储和计算过程是这个信息爆炸时代对未来电子芯片设计的基本需求。为了提高信息密度和器件尺寸，二维多铁材料中多重信号响应特性成为了研究热点，尤其是其中存在的强磁电耦合。然而，由于传统的铁电性与铁磁性相斥的d电子与长程铁性耦合的低维抑制使得二维多铁材料在自然界中非常少。目前，尽管可以通过自旋晶格和自旋轨道相互作用实现两类二维铁磁性和铁电性的耦合，但是这种铁磁、铁电和铁弹性的三铁耦合仍然极其罕见，且还没有可以在室温中保持其铁性耦合的。显而易见的是，如果可以实现二维室温三铁耦合，其将展现出有趣的物理现象，并有望用于新型自旋电子器件的设计。
昆士兰科技大学团队通过第一性原理计算方法，设计出了一系列1Tʹ 相二维双过渡金属原子氧族化物，并研究了其室温铁电、铁磁和铁弹性之间的强耦合。一般来说，1Tʹ 相与1T和2H相相比，并非二维过渡金属氧族化物的基相。虽然1Tʹ相（如WTe2）晶格中可以同时表现出电极化和铁弹转变，但是目前还从未在该类晶格中发现过磁性。该工作中，通过引入双金属的电子不对称策略，在1T相中引入了自发的极化畸变，进而获得具有三铁耦合的1Tʹ 相过渡金属氧族化物。且通过全局结构搜索和紧束缚近似分析证明了在一系列双过渡金属氧族化物中，1Tʹ 相的相稳定性与能量稳定性。
以1Tʹ-CrCoS4为例，该单层表现出了亚铁磁性，即Cr与Co原子磁矩大小不等且方向相反。电子结构中，1Tʹ-CrCoS4单层为半导体，两个自旋通道能带分别为0.71和1.34电子伏特，且自旋轨道耦合效应影响很小。通过对两种离子磁矩分析可知，其表现出的亚铁磁性主要与Jahn-Teller效应导致的外层电子轨道分布有关。另外，通过Monte-Carlo和第一性分子动力学模拟可知1Tʹ-CrCoS4单层的磁性和铁电性居里温度都远远高于室温。最后，该材料还具有负压电效应和外应力可控的磁各向异性，展现出了其实际应用的前景。
这一成果近期发表在Journal of the American Chemical Society 上，文章的第一作者是昆士兰科技大学博士后研究员唐程。
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唐程博士简介
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