单层材料中发现可诱导铁电性的可调螺旋磁序
2022年6月15日
磁序是各种磁性材料的内禀属性。除了线性的铁磁、反铁磁序外，还存在非线性磁序， 例如螺旋磁序、斯格明子等。具有非线性磁序的材料，尤其是纳米材料，因为在磁存储、电磁转换等领域具有潜在的应用价值，从而受到研究人员的广泛关注。此外，特定螺旋磁序还会在材料中引入多铁性：螺旋磁序会同时打破材料的时间反演对称性和中心反演对称性，从而会在材料中引入电极化，进而导致材料内部磁学性质与电学性质的非线性耦合。此类多铁材料能够允许人们利用电场调控其磁性性质，或利用磁场调控其电学性质，从而在电磁学领域具有新奇的研究和应用意义，极大的促进自旋电子学的发展。
此外，为了使材料中的螺旋磁矩可以被充分利用，我们还需要对磁矩进行有效调控。目前为止，人们主要在固体表面上人为生长的金属薄层中观察和研究螺旋磁矩，并且已经发现原子插层、温度、应变等因素可以影响螺旋磁矩。因为二维材料由于其超薄的厚度而具有易操控的特性，因此在二维材料中发现并调控螺旋磁矩就非常有意义。研究人员已经通过理论计算在多种单层材料中预言了螺旋磁矩，但是目前还没有实验证实（在本篇文章投稿过程中，发表了首次实验报道 Nature 602, 601-605 (2022)）。我们发现，实验已证实块材的FeOCl材料具有螺旋磁矩。块材的FeOCl具有范德华多层结构，因此单层FeOCl有可能存在。同时，单层FeOCl最近由我们的合作者合成（Phys. Rev. Mater. 3, 064004 (2020)）。因此单层FeOCl是实现螺旋磁矩的理想平台。
近日，中国科学院物理研究所杜世萱研究团队利用基于密度泛函理论的第一性原理计算对单层FeOCl进行了研究，证实螺旋磁矩是单层FeOCl的基态。研究发现螺旋磁矩是沿着面内较短晶格方向，在ac平面中传播，其螺旋磁矩传播矢量为（0.277, 0.5, 0）。研究还发现，当单层FeOCl处于螺旋磁矩的基态时，其带隙相比于铁磁态增大了0.6 eV左右。因此单层FeOCl有可能会由于磁基态的改变而发生相应的电学输运性质、光吸收性质的改变。此外，研究发现电子掺杂、应变都会对螺旋磁矩产生线性的影响，使得对单层FeOCl内螺旋磁矩的有效调控变的可能。此外，研究证实单层FeOCl的第二类多铁性，即其螺旋磁矩诱导产生了面外的电极化，其极化率与螺旋磁矩的传播矢量有关，从而也具有可调性。最后，研究人员设计了两层及三层的三明治结构，即通过单层的石墨烯或氮化硼对单层FeOCl进行包装。该结构是纳米器件中普遍使用的异质结构。计算发现在该结构中，单层FeOCl的螺旋磁矩仍然存在，并且螺旋磁矩会收到包装材料的调控。 其中，石墨烯调控单层FeOCl螺旋磁矩的机制是电子掺杂，而氮化硼的调控机制是轨道重组。该工作预言了二维多铁材料FeOCl，为多铁领域的实验研究提供了切实可行的新思路。
相关工作以“Tunable, Ferroelectricity-Inducing, Spin-Spiral Magnetic Ordering in Monolayer FeOCl” 为题在Nano Letters杂志上发表。该研究收到K. C. Wong Education Foundation的资助。
文章链接：
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c05043
磁序是各种磁性材料的内禀属性。除了线性的铁磁、反铁磁序外，还存在非线性磁序， 例如螺旋磁序、斯格明子等。具有非线性磁序的材料，尤其是纳米材料，因为在磁存储、电磁转换等领域具有潜在的应用价值，从而受到研究人员的广泛关注。此外，特定螺旋磁序还会在材料中引入多铁性：螺旋磁序会同时打破材料的时间反演对称性和中心反演对称性，从而会在材料中引入电极化，进而导致材料内部磁学性质与电学性质的非线性耦合。此类多铁材料能够允许人们利用电场调控其磁性性质，或利用磁场调控其电学性质，从而在电磁学领域具有新奇的研究和应用意义，极大的促进自旋电子学的发展。
此外，为了使材料中的螺旋磁矩可以被充分利用，我们还需要对磁矩进行有效调控。目前为止，人们主要在固体表面上人为生长的金属薄层中观察和研究螺旋磁矩，并且已经发现原子插层、温度、应变等因素可以影响螺旋磁矩。因为二维材料由于其超薄的厚度而具有易操控的特性，因此在二维材料中发现并调控螺旋磁矩就非常有意义。研究人员已经通过理论计算在多种单层材料中预言了螺旋磁矩，但是目前还没有实验证实（在本篇文章投稿过程中，发表了首次实验报道 Nature 602, 601-605 (2022)）。我们发现，实验已证实块材的FeOCl材料具有螺旋磁矩。块材的FeOCl具有范德华多层结构，因此单层FeOCl有可能存在。同时，单层FeOCl最近由我们的合作者合成（Phys. Rev. Mater. 3, 064004 (2020)）。因此单层FeOCl是实现螺旋磁矩的理想平台。
近日，中国科学院物理研究所杜世萱研究团队利用基于密度泛函理论的第一性原理计算对单层FeOCl进行了研究，证实螺旋磁矩是单层FeOCl的基态。研究发现螺旋磁矩是沿着面内较短晶格方向，在ac平面中传播，其螺旋磁矩传播矢量为（0.277, 0.5, 0）。研究还发现，当单层FeOCl处于螺旋磁矩的基态时，其带隙相比于铁磁态增大了0.6 eV左右。因此单层FeOCl有可能会由于磁基态的改变而发生相应的电学输运性质、光吸收性质的改变。此外，研究发现电子掺杂、应变都会对螺旋磁矩产生线性的影响，使得对单层FeOCl内螺旋磁矩的有效调控变的可能。此外，研究证实单层FeOCl的第二类多铁性，即其螺旋磁矩诱导产生了面外的电极化，其极化率与螺旋磁矩的传播矢量有关，从而也具有可调性。最后，研究人员设计了两层及三层的三明治结构，即通过单层的石墨烯或氮化硼对单层FeOCl进行包装。该结构是纳米器件中普遍使用的异质结构。计算发现在该结构中，单层FeOCl的螺旋磁矩仍然存在，并且螺旋磁矩会收到包装材料的调控。 其中，石墨烯调控单层FeOCl螺旋磁矩的机制是电子掺杂，而氮化硼的调控机制是轨道重组。该工作预言了二维多铁材料FeOCl，为多铁领域的实验研究提供了切实可行的新思路。
相关工作以“Tunable, Ferroelectricity-Inducing, Spin-Spiral Magnetic Ordering in Monolayer FeOCl” 为题在Nano Letters杂志上发表。该研究收到K. C. Wong Education Foundation的资助。
文章链接：
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c05043