新型二维磁性材料vte₂中的奇异磁性和多铁性-凯发k8旗舰厅注册登录

　　低维磁性体系以其新奇的晶体结构和量子特性，在自旋电子学等方面具有广阔的应用前景。磁性多层薄膜cri₃的成功制备，使二维磁性材料的发现和探索成为凝聚态物理科学研究的重要前沿。目前，低维磁性半导体的研究主要集中在两方面：通过外延生长发现新的磁性材料，和调控磁性以探究独特的磁作用机制。多种二维磁性材料，如cr₂ge₂te₆, fe₃gete₂, crse₂, crte₂等，均已有实验报道；而层间铁磁耦合等磁性调控，也在二维半导体crbr₃和cri₃中成功实现。钒硫族化合物（如vte₂等）具有可调的能隙大小，在自旋电子学和谷电子学等方面具有潜在的应用。然而，人们发现1t-vte₂表现出电荷密度波相，却并未发现该材料存在明显铁磁性。因此，该类材料是否拥有本征磁性仍然具有争议。

　　最近，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心表面物理国家重点实验室sf10组的博士生李轩熠，在孟胜研究员、北理工孙家涛教授的指导下，与sf10组的杨庆博士，sf3组的曹则贤研究员、纳米物理与器件实验室n04组的博士生朱知力和高鸿钧院士，以及北理工王业亮教授合作，利用第一性原理方法，报道了一种新型二维vte₂（pp-vte₂）磁性材料。有趣的是，该材料具有的折叠五边形结构可视为黄铁矿结构的二维极限。通过对pp-vte₂的晶体结构和电子结构的计算分析，他们证明了该结构的稳定性，并预测了该材料的自旋极化半导体型能带。计算表明，单层pp-vte₂拥有本征的铁磁序，较大的磁交换能，较高的居里温度和反常的面内磁各向异性。更加有趣的是，他们发现了pp-vte₂的二维铁弹性和面内易磁化轴之间存在多铁性耦合。这些新结果将拓展人们对这类材料的磁性和铁弹性的认识。

　　在对空间群为pca2₁的二维pp-vte₂深入探究之前，他们首先对该材料的体相，即空间群为\(\mathrm{pa} \overline{3}\)黄铁矿(bp-vte₂)结构进行探究，如图1所示。能带计算表明bp-vte₂是一种半金属。稳定性对于一种新的二维结构而言非常重要。通过线性弹性常数、声子谱和总能计算，他们发现pp-vte₂的各弹性参数符合波恩-黄昆方程，声子谱无虚频。电子结构计算表明，pp-vte₂不再拥有bp-vte₂的半金属性，成为一种窄带隙磁性半导体材料，如图2所示。这些特征预示着该材料的动力学稳定性，及其在半导体电子学方面的潜在应用。

　　为了计算二维pp-vte₂的磁性，他们为该材料设置了铁磁、反铁磁和非磁三种磁结构，gga u计算表明无论任何有效势能下铁磁态总是能量最低态。通过将易磁化轴在空间内旋转，他们研究了pp-vte₂的磁各向异性，发现该材料属于面内磁矩，其易磁化轴对应于x轴[100]方向，而该方向恰好对应于pp-vte₂中唯一的对称轴——沿x轴方向的螺旋轴，说明该材料的磁性受到了结构的调制，如图3所示。另外，由于pp-vte₂的磁性均来源于费米面附近的自旋态密度，他们预测该材料的磁性可能会被电场调控。

　　黄铁矿结构的降维使该结构对称操作变少，相应地为pp-vte₂的铁弹性实现提供了可能，如图4所示。为减少晶格形变对铁弹计算的影响，他们首先将晶格形变为正方形；之后考虑从初态经由中间态抵达末态后元胞内的原子位移，并利用neb方法估算铁弹相变中的能量势垒。估算出pp-vte₂的铁弹相变势垒接近经典二维铁弹材料黑磷。不仅如此，铁弹相变发生后，pp-vte₂的易磁化轴也会随之发生90度的旋转，这意味着二维铁弹性和铁磁性的直接多铁耦合，这种多铁性耦合在二维材料中十分罕见。这些结果说明单层pp-vte₂是一种研究二维磁性和铁弹性的理想材料。

　　该工作得到国家自然科学基金委、科技部重点研发计划、中科院b类先导专项以及松山湖材料实验室的支持。

图1. 黄铁矿结构vte₂的晶体结构和电子结构，及二维pp-vte₂的晶体结构，布里渊区示意图和stm模拟图。

图2. pp-vte₂的声子谱、总能计算、能带结构，以及带隙随vte₂ slab的亚层数增加而变化的趋势。

图3. pp-vte₂的磁各向异性计算及其居里温度估算。

图4. pp-vte₂的铁弹性和多铁耦合预测。