一、【導讀】

磁電多鐵性材料中相互耦合的鐵電和磁性序參量，為實現電極化的磁場調控或磁化的電場調控提供了潛在的可能性，在基礎凝聚態物理研究和高性能自旋電子器件應用方面大有前途，如超快，非揮發性鐵電/磁存儲器。受二維范德華 (vdw) 磁性和電性材料領域最新進展的啟發，人們越來越多地致力于將磁性和鐵電性集成到二維vdw材料中，這可以進一步提高處理器件的場調制效率和數據存儲密度。然而，多鐵性材料中互斥的鐵電性和磁性以及低的磁性臨界溫度和弱磁電耦合效應，一直以來都是困擾研究人員的科學問題。因此，設計出新型二維多鐵性材料并能夠實驗磁電耦合效應具有重要的實際應用意義。

二、【成果掠影】

今日、長春理工大學固態激光技術與應用重點實驗室副研究員辛潮、韓國科技大學博士后宋炳乾、江蘇大學宋永利教授以及北京大學潘鋒教授團隊合作設計出了一種新型的二維多鐵性材料: MXene-Mo₂NCl₂。該二維材料由于其內部的失衡的Mo離子電荷歧化現象，導致晶格結構發生中心反演對稱性破缺，進而產生面外的鐵電極化。此外，電荷歧化現象還導致了體系的反鐵磁性。同時，這種反鐵磁有序通過外加電場可以使其轉變成為鐵磁性。相關研究成果以“Charge disproportionation-induced multiferroics and electric field control of magnetism in a 2D MXene – Mo₂NCl₂” 為題發表在國際知名學術期刊《Nanoscale》上。

三、【核心創新點】

該項研究在二維MXene-Mo₂NCl₂材料中發現了反鐵磁和鐵電性共存的多鐵性。而且，其中的磁性轉變溫度高于目前已經發現的大多數二維磁性材料的Curie溫度。最后，通過外加電場實現了對磁性的調控。

四、【數據概覽】

圖1. 單層Mo₂NCl₂的晶格結構弛豫前后對比，聲子能帶和分子動力學計算結果圖。

(a) T相的晶格結構圖；(b) 經過完全弛豫后計算得到的Cm結構圖；(c) 完全弛豫結構時的計算的聲子譜；(d) AIMD計算的300 K時結構的熱力學穩定性。Mo₂NCl₂結構在完全弛豫的情況下，發生兩個方面的結構畸變，一是上層的Mo和Cl原子向右側移動，二是Mo基八面體進一步發生去中心化的畸變。通過DFT+U的計算測試，發現在不同的終端原子組成的MXene中只有TOO相的Mo₂NCl₂的結構是同時具備中心反演對稱性破缺，以及動力學和熱力學穩定的結構。

圖2. Mo²⁺ 和 Mo³⁺的d軌道投影能帶和態密度圖。

(a) Mo²⁺的d軌道投影能帶圖；(b) Mo₁的d軌道和N的2p軌道投影DOS圖；(c) Mo³⁺的d軌道投影能帶圖；(d) Mo₁的d軌道和N的2p軌道投影DOS圖。由基于DFT+U計算得到的電子結構中發現Mo離子的電荷歧化現象。

圖3. 2×1×1 Mo₂NCl₂的超晶格結構俯視圖 (沿c軸)。

(a) J₁和J₂代表最近鄰和次近鄰自旋交換相互作用；(b) 鐵磁結構；(c) 1類反鐵磁結構；(d) 2類反鐵磁結構。進而采用海森堡 (Heisenberg) 模型擬合出交換積分J₁、J₂、和DM相互作用參數D以及磁各向異性參數A。

圖4. 蒙特卡洛 (Monte Carlo) 模擬磁性轉變溫度的結果。

(a) 比熱Cv隨溫度的變化曲線；(b) 磁化率和磁矩隨溫度的變化曲線。基于海森堡模型，通過蒙特卡洛模擬最終計算出Mo₂NCl₂的磁性轉變溫度為~168 K。高于目前研究較為廣泛的CrI₃ (T_C = 45 K)和Cr₂Ge₂Te₆ (T_C = 30K)。

圖5. DFT+U計算得到的靜電勢以及鐵電翻轉能壘。

(a) Cm結構的Mo₂NCl₂的靜電勢、電偶極矩以及Bader電荷分布；(b) 通過NEB方法計算得到的鐵電翻轉路徑和翻轉能壘。

圖6. 外加電場情況下的交換能E_afm2–E_fm的變化曲線。

通過對Cm相的Mo₂NCl₂的c軸方向施加外電場，比較2類反鐵磁和鐵磁能量變化，觀測磁性在外加電場時的變化狀態，最終實現磁化的電場調控。

五、【成果啟示】

此項研究基于密度泛函理論的第一性原理計算，設計出一種新型的二維MXene反鐵磁/鐵電-多鐵性材料Mo₂NCl₂。其中表現出out-off-plane的電極化本征的反鐵磁性。通過聲子譜和AIMD的計算證實了體系的動力學和熱力學穩定性。利用蒙特卡洛模擬計算了Mo₂NCl₂的磁性轉變溫度為168K，高于目前研究的大部分二維多鐵性材料的臨界溫度。我們的工作為單層MXene的應用提供了機會Mo₂NCl₂，建立了一個設計2D可切換平面外電極化的模型，并發現了一類具有可開關磁化以及平面外極化的理想2D多鐵性材料，對下一代納米電子和納米自旋電子器件具有重要意義。

原文詳情：

Charge disproportionation-induced multiferroics and electric field control of magnetism in a 2D MXene – Mo₂NCl₂. Nanoscale. (2023).

原文鏈接：

https://doi.org/10.1039/D3NR02600K

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