实现室温强磁电耦合的二维本征多铁材料|进展

多铁材料（Multiferroics）因其同时具有铁电与磁有序并存在内禀磁电耦合效应，是实现电场调控磁性、构建低功耗自旋电子器件的重要材料平台。然而，传统体相多铁材料（如BiFeO₃、TbMnO₃）长期面临极化强度有限、磁电耦合系数较弱等问题，严重制约其器件化应用。随着二维范德瓦耳斯（vdW）材料的迅速发展，人们发现层状材料中的层间堆叠序与磁构型可通过外场精确调控，从而为多铁性的实现提供了新的途径。然而，已报道的二维本征多铁体系往往存在磁转变温度低、空气稳定性差或磁电耦合缺乏直接实验证据等问题。因此，在空气稳定且室温可工作的二维体系中实现本征磁电耦合，仍然是国际研究前沿亟待突破的关键方向。

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SF09组陈岚研究员近年来在二维铁序的探测以及二维双层同质结的新奇物性方面已积累深厚基础，包括在铋烯的单质铁电性[Nature 617, 67 (2023)]，GaSe的滑移铁电性[Nat. Commun. 14, 2757 (2023)]，单层CuCrSe₂的多铁性[Nat. Commun. 15, 4252 (2024)]，单层NiI₂的自旋极化边缘态[Nat. Commun. 15, 10916 (2024)]以及双层InSe的莫尔拓扑性[Nat. Commun. 16, 9453 (2025)]。

近期，研究团队在双层CrTe₂体系中发现一种交替反铁磁/铁磁的层状磁结构。在该结构中，由于层间电荷转移引发的静电势差，自发破坏体系反演对称性，从而产生可翻转的面外铁电极化。研究团队通过分子束外延（MBE）在超高真空条件下制备了高质量双层CrTe₂薄膜。结合第一性原理计算与扫描隧道显微镜（STM）、压电响应力显微镜（PFM）和磁力显微镜（MFM）等多种实验手段，系统验证了该体系的多铁本征属性。实验结果表明：反铁磁与铁磁层之间的电势差导致反演对称性自发破缺，并形成稳定的面外铁电极化。更为重要的是，研究团队在该体系中实现了室温与空气稳定条件下的“电写磁读”（electrical writing and magnetic reading）功能：通过外加电场翻转极化方向，可同步改变层间磁构型，实现非易失性的磁态调控。这一实验结果直接证明了二维极限下的磁电耦合可实现可逆操控。该工作提出了基于层间反铁磁/铁磁结构的二维单相多铁材料设计原则，为构建可室温运行的二维磁电器件提供了新的材料路径。相关成果不仅深化了对二维多铁物理机制的理解，也为CMOS兼容、低功耗自旋存储器件的发展奠定了重要物理基础。

图. 双层 CrTe₂的原子结构和电写磁读（PFM电写入与MFM磁读取）

相关工作以“Room-temperature two-dimensional multiferroic metal with voltage-controllable magnetic order”为题发表于Nature Materials。物理所博士后田大铖、浙江大学博士生钟淑琳和物理所博士生董建宇为文章共同第一作者，物理所陈岚研究员、浙江大学的陆赟豪教授和北京航空航天大学的杜轶教授为论文通讯作者。研究得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金、广西重大科技专项、浙江省自然科学基金、中国科学院青年科学家基础研究项目及中国博士后科学基金等的资助。

编辑：子木