二维多铁材料H₂O-OH的合成和磁相变调控 | 进展

多铁性材料是指同时具备两种或两种以上铁序的材料，如铁磁、铁电、铁弹性等，因其在存储与逻辑器件等领域的应用潜力而受到广泛关注。如何在二维材料中实现磁相变的有效控制仍是一个重大挑战。具有铁电和铁磁性的二维分子多铁材料是研究这些问题的理想体系，其中固有磁性来自自由基成分中未配对的电子，可以通过简单的电子-电子配对来控制自旋序的转变。然而，合适的二维分子多铁材料尚未有实验报道，其中的磁相变调控机制也有待深入研究。

中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心SF09组近年来在新型二维铁电、铁磁以及多铁材料的生长和表征方面取得了一系列重要成果。例如，他们发现了单质铁电材料二维铋(Nature 2023, 617, 67-72)、层内滑移铁电材料GaSe (Nat. Commun. 2023, 14, 2757)、单胞厚度的铁电氧化物Bi2WO6 (Nano Lett. 2023, 23, 7838)，以及高温多铁材料单层CuCrSe2 (Nat. Commun. 2024,15,4252)。

最近，该研究团队的冯宝杰、陈岚研究员指导博士生赵峭消，和吉林大学王彦超教授以及江苏师范大学徐美玲、李印威教授合作，创新性发展了低能电子辅助合成的方法，首次在疏水性的Ag(111)表面生长了一种新型二维分子——H2O-OH，实现了单层到多层的可控生长，并对其铁磁性及磁相变调控机制进行理论研究。单层H2O-OH由H2O和OH 1:1构成，其铁磁性起源于OH基团2p成键轨道上的未配对电子。他们利用低能电子辅助合成方法，使部分水分子发生脱氢反应，获得了长程有序的二维分子体系H2O-OH，并实现了不同层数材料的可控生长。他们利用STM表征了H2O-OH体系的形貌，利用XPS确认了H2O-OH的化学组成。理论计算不仅确认了其原子结构，而且发现通过调控多层H2O-OH层间结构，可实现磁性的可逆切换：一方面，层间堆叠促进H2O2分子的形成，使未配对电子配对，从而诱导铁磁性向非磁性转变；另一方面，层间滑移抑制H2O2分子形成，恢复未配对电子，从而实现非磁性向铁磁性转变。此外，这一磁相变过程可被外加电场有效调控。

这项研究成果以“Control of magnetic transitions via interlayer engineering in ferroelectric H2O–OH systems”为题，发表在近期的Nature Communications上。江苏师范大学硕士生陈静研和物理所博士生赵峭消为共同第一作者。江苏师范大学徐美玲副教授、李印威教授、物理所冯宝杰副研究员、吉林大学王彦超教授为共同通讯作者。该研究工作受到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京市自然科学基金、中国科学院青年团队等项目的支持。

(a) 二维多铁材料H 2 O-OH的结构模型。(b) 沿铁电开关途径的能量曲线，显示相对于初始铁电相的相对能量。插图描述了极化反转过程中初始、过渡和最终状态。(c)-(f) H 2 O-OH在Ag(111)生长表面的演变。

编辑：亦山