多铁材料，Nature Materials！

米测MeLab

2026-03-12

特别说明：本文由米测技术中心原创撰写，旨在分享相关科研知识。因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大方之家批评指正。

编辑丨风云

研究背景

多铁性材料通过磁电（ME）耦合将铁电序和磁序集成，实现了电场对磁性的控制，是超低功耗自旋电子器件和量子技术的核心。

关键问题

目前，多铁材料的开发主要存在以下问题：

1、二维多铁材料的室温稳定性与磁序挑战

目前已知的二维多铁系统往往受限于极低的相变温度或严重的空气敏感性，且缺乏在室温环境下对强磁电耦合效应的有效验证。

2、人工异质结的界面相互作用与响应效率

通过简单叠加铁电体和磁性体构建的范德华异质结，常因界面相互作用微弱、结构脆弱以及磁电响应效率低下而难以实现高性能的器件功能。

新思路

有鉴于此，中国科学院物理研究所陈岚研究员、浙江大学陆赟豪教授、北京航空航天大学杜轶教授等人报告了具有本征室温多铁性的空气稳定双层CrTe₂。结构和磁性表征揭示了一种交替的铁磁和反铁磁双层架构，这是由层间电荷转移自发打破反演对称性并产生可切换的面外铁电极化所驱动的。扫描探针显微镜确认了利用电场对磁化状态的非易失性控制，实现了电写磁读功能。这一机制根植于层间电荷转移，而非传统的自旋轨道耦合，为工程化层状系统的多铁性奠定了基础。在环境条件下演示具有磁电耦合的二维多铁材料，为高效存储设备和量子传感技术提供了机遇。

技术方案：

1、表征了双层CrTe₂的原子尺度结构与金属性

 MBE生长单层/双层CrTe₂薄膜，单层呈锯齿反铁磁序，双层晶格扩大预示不同磁序；室温金属性且空气稳定，为探索室温多铁性奠定了基础。

2、确认双层CrTe₂在环境条件下具备稳健的二维多铁性

双层CrTe₂在300 K下展现室温铁磁性和可切换面外铁电极化，打破金属体系中铁电与铁磁难相容的传统认知，实现了稳健的二维多铁性。

3、验证了磁电耦合（ME）效应

通过"PFM电写-MFM磁读"实验，双层CrTe₂实现电极化翻转诱导磁畴重构，磁电耦合强度随电压增强，空气中两周后仍保持30%信号，磁场亦可调控铁电稳定性。

4、揭示了双层CrTe₂多铁性的本质

DFT揭示双层CrTe₂多铁性源于磁序驱动的电荷重分布，层间电荷转移打破反演对称性产生强极化，电场可非易失性调控磁态，为二维多铁器件设计提供新准则。

技术优势：

1、首次实现了室温空气稳定的二维本征多铁性

本研究在双层CrTe₂中首次实现了室温下的铁磁性与铁电性共存，且样品在环境条件下暴露两周后仍能保持稳定的物理性能和磁电耦合效应。

2、提出了电荷转移驱动的磁电耦合新机制

本文突破了传统依赖自旋轨道耦合（SOC）的机制，揭示了通过调节二维金属层中的电子填充来驱动磁序转变及电荷重新分布，从而产生强磁电响应的新物理路径。

技术细节

双层CrTe₂的原子尺度结构与金属性表征

研究人员利用分子束外延（MBE）技术，在石墨烯/SiC(0001)基底上成功生长了原子级平整的单层和双层CrTe₂薄膜。STM和LEED表征显示，单层CrTe₂具有锯齿状反铁磁（z-AFM）序，其晶格常数约为0.37 nm。当生长至双层时，第二层表现出六角密堆积排列，且晶格常数扩大至0.39 nm，这种层间晶格差异预示了不同的磁序分布。微分电导（dI/dV）谱线证实了单层和双层样品在室温下均表现出显著的金属性特征。环境稳定性测试表明，该材料在空气中暴露两周后，拉曼光谱中的特征振动模式依然清晰可见，证明其具有出色的抗氧化性能，克服了以往二维磁性材料难以在非真空环境下工作的弊端。这一高质量且稳定的金属平台为后续探索室温多铁性及电场调控磁性奠定了实验基础。

图  单层和双层CrTe₂的原子尺度结构和电子特性

室温下铁磁性与铁电性的共存验证

通过SQUID和XMCD测量，研究团队发现单层CrTe₂为反铁磁性，而双层CrTe₂在300 K下仍展现出明显的磁滞回线，确证了其本征室温铁磁性，其饱和磁矩与理论预测基本吻合。在电学方面，PFM表征显示单层样品无铁电响应，而双层CrTe₂则展示了典型的相位滞后环和“蝴蝶型”振幅演化规律，其翻转相位差达到180°，矫顽电压约为1-2 V。通过在双层CrTe₂上进行电场“写入”实验，研究者成功创建了稳定的“盒中盒”铁电畴图案，证明其具有可切换的面外铁电极化。结合磁性与电性测量结果，本研究确认双层CrTe₂在环境条件下具备稳健的二维多铁性，磁序和极化方向的共存打破了铁电与铁磁在金属体系中难以相容的传统认知。

图  双层CrTe₂的室温多铁性

电写磁读功能与磁电耦合效应的鲁棒性

为了验证磁电耦合（ME）效应，研究者采用“PFM电场写入，MFM磁性读取”的方案。实验结果显示，在施加相反直流电压写入的铁电畴区域，MFM图像同步呈现出对应的磁性对比度，即电极化的翻转诱导了磁畴格局的重构，成功演示了电写磁读的功能。随着写入电压从±6 V增加到±8 V，电性与磁性对比度同步增强，进一步证实了磁电耦合的强度。这种耦合性能即使在空气中放置两周后，仍能保持约30%的初始信号强度并最终趋于饱和，展现了卓越的功能稳定性。此外，外加磁场实验表明，随着磁场增强，铁电畴对比度也会逐渐减弱甚至消失，这反映了磁场诱导的磁序排列通过磁电耦合作用直接影响了电极化的稳定性，从而从正反两个维度确证了双层CrTe₂中强耦合的存在。

图  多铁双层CrTe₂的PFM电写入和MFM磁阅读

层间电荷转移驱动的多铁性物理机制

理论模型和DFT计算揭示了双层CrTe₂多铁性的本质：它并非源于常规的层间滑动，而是由磁序切换驱动的电荷重新分布。由于FM和z-AFM单层之间存在约0.1 eV的静电势差，电荷会自发地从z-AFM层转移到FM层，以降低系统总能量。这种不对称的层间电荷填充不仅稳定了FM/AFM的异质结构，还自发打破了空间反演对称性，产生了约3.0 pC/m的面外自发极化，强度远超传统的滑动铁电系统。该机制的核心在于2D金属层的电子填充状态，而非传统的自旋轨道耦合（SOC），因此能够在室温下有效抵抗热波动。电场正是通过调节这种层间电荷平衡，实现了在FM和AFM状态之间的非易失性切换。这一新发现为设计高性能、CMOS兼容的二维多铁电子器件提供了全新的通用物理准则。

图  CrTe₂双层膜的磁场相关PFM和MFM图像

图  金属双层CrTe₂中净极化的发生

展望

本研究报告了双层CrTe₂这一新型室温空气稳定的二维多铁金属系统，并演示了“电写磁读”逻辑功能。研究发现，其磁电耦合并非源于传统的自旋轨道耦合，而是由层间电荷转移诱导的对称性破缺驱动的，这一机制使得磁性控制在室温下极具鲁棒性。该工作不仅为二维金属体系中的多铁性提供了深入的物理见解，还为开发超低功耗自旋电子存储器和量子传感器开辟了新途径，极大地推动了二维材料在后摩尔时代纳米电子学中的应用潜力。

参考文献：

Tian, D., Zhong, S., Dong, J. et al. Room-temperature two-dimensional multiferroic metal with voltage-controllable magnetic order. Nat. Mater. (2026). 

https://doi.org/10.1038/s41563-026-02537-2