在二维磁体 VCl3中实现面内铁电性与反铁磁性共存的重大突破

为实现二维（2D）多铁性（MF），研究人员在 NbSe2衬底生长 VCl3单层，证实铁电性与反铁磁性共存，意义重大。

　　在现代科技飞速发展的时代，电子设备正朝着小型化、多功能化的方向不断迈进。在这个过程中，具有特殊性能的材料成为了关键。多铁性材料，由于其同时具备铁电性和磁性等多种特性，在新型电子器件领域有着巨大的应用潜力。而将多铁性材料的维度降低到二维（2D），更是为实现设备的高度集成和微型化带来了新的希望。然而，目前在二维极限下铁电性和磁性的共存问题却一直困扰着科研人员。虽然理论上预测了不少二维材料可能具备多铁性，但实验上能够确凿证明的例子却寥寥无几。例如，基于二维范德华（vdW）材料的多铁性研究，此前仅有 NiI₂单层有相关报道，但关于其铁电性的认定仍存在诸多争议。因此，寻找一种可靠的方法来实现二维材料中磁性和铁电性的共存，并对其进行精确的实验验证，成为了材料科学领域亟待解决的重要问题。

为了解决这一难题，来自多个研究团队的科研人员展开了深入的研究。他们在《SCIENCE ADVANCES》上发表的研究成果，为该领域带来了新的突破。

研究人员主要采用了以下几种关键技术方法：一是利用分子束外延（MBE）技术在不同衬底上生长 VCl₃单层；二是运用扫描隧道显微镜（STM）和扫描隧道谱（STS）从原子尺度对样品进行表征和分析；三是借助振动样品磁强计（VSM）测量样品的磁性；四是通过密度泛函理论（DFT）计算，从理论层面探究原子结构、电子态以及磁性等性质。

研究结果

1. VCl₃单层的生长与结构表征：研究人员通过 MBE 技术在新鲜解理的 NbSe₂衬底上生长 VCl₃单层。STM 图像显示，生长的 VCl₃单层厚度约为 5.6 ?，具有半导体电子结构。在 STM 成像中，VCl₃单层的原子结构呈现出独特的特征，与预期的典型结构不同，其原子晶格发生了明显的畸变，如 Cl 原子形成了类似飞镖状的结构，且 Cl-2 原子比其他两个 Cl 原子在 z 方向上高出约 0.05 ?。DFT 计算结果与 STM 观察到的异常形态相吻合，进一步证实了这种结构的存在。
2. 面内铁电性的证据：STM 观察到 VCl₃单层中存在两种类型的畴壁（DWs），即亮畴壁（DW-S）和暗畴壁（DW-I）。通过对 DWs 附近的 STS 测量，发现存在明显的能带弯曲现象，且 DW-S 和 DW-I 附近的能带能量水平存在差异，这表明 DWs 带有不同的电荷，是面内铁电性的重要证据之一。此外，研究人员还通过实验证实，在特定的隧道条件下，施加的电场的面内分量可以可逆地切换晶格畸变的方向，进而控制 DWs 的移动，这直接证明了面内铁电性的存在。根据实验数据估算，面内铁电极化强度约为 0.04 μC cm^-2，与已知的铁电 vdW 层相当，且该铁电性的转变温度至少高于液氮温度，在磁场下也保持稳定。
3. 磁性研究：VSM 测量结果显示，该铁电 VCl₃单层呈现出反铁磁（AFM）有序状态，其反铁磁转变温度 T_N为 16 K，接近块状 VCl₃的 AFM 转变温度 20 K。M-H 测量进一步支持了 AFM 有序的结论，尽管在零场附近观察到了微弱的铁磁（FM）特征，但这被认为是由用于 VSM 测量的石墨烯衬底引起的。理论计算表明，在 NbSe₂支持的 ML-VCl₃中，双条纹（BS）AFM 序比其他磁性序更稳定，其磁矩优先取向于 xz 易平面，这与 VSM 结果一致。
4. 铁电性起源探究：通过 DFT 计算和分析，研究人员发现 VCl₃-NbSe₂界面处的 Cl-Se 相互作用起着关键作用。这种相互作用导致了面内 C₃旋转对称性和平面外（OOP）反演对称性的破缺，进而诱导了面内铁电性。具体来说，界面处不对称的电荷转移和原子位移，使得 VCl₃层产生了面内电极化。为了验证这一机制，研究人员构建了 VCl₃在石墨烯衬底上的模型，由于石墨烯与 VCl₃之间的界面相互作用是非定向的，VCl₃在石墨烯衬底上几乎保持了 C₃旋转对称性，且诱导的面内电荷变化几乎是各向同性和无方向的，实验结果也表明在石墨烯 / SiC 衬底上生长的 VCl₃单层原子结构未发生明显畸变，没有极化畴或明确的 DWs，这进一步证实了定向界面相互作用在诱导面内铁电性中的关键作用。

研究结论与意义

这项研究成功地在磁性 VCl₃单层中观察到了面内铁电极化，明确证实了面内铁电性和倾斜双条纹反铁磁性的共存。研究揭示了 VCl₃-NbSe₂异质结中的界面 Cl-Se 相互作用打破了对称性，从而诱导了面内铁电性。通过控制实验和计算对 VCl₃- 石墨烯界面进行研究，进一步验证了这种引入铁电性的机制。这一研究成果不仅为多铁性研究提供了一个潜在的二维材料平台，推动了二维多铁性材料在新型电子器件中的应用，也为范德华界面工程在控制功能极化方面提供了新的思路，刷新了科研人员对范德华界面工程的理解，为后续的材料研究和器件开发奠定了重要基础。