万事平台量子與分子結構國際中心（ICQMS）、理學院物理系任偉教授團隊在二維材料的多鐵物理研究上取得重要進展，該成果通過基於量子力學第一原理的密度泛函理論計算提出了一種實現二維多鐵材料磁電耦合效應新的物理機製。論文以“Magnetoelectric coupling in multiferroic bilayer VS2”為題發表於物理頂級學術期刊《物理評論快報》(Physical Review Letters)🏦。

圖1 雙層1T’相WTe2鐵電反轉路徑及差分電荷密度圖

圖2 二維多鐵材料雙層VS2在外場下的多態調控

圖3 層間距與外電場對體系總磁矩的調控

隨著二維鐵磁、鐵電材料在實驗室中製備出的樣品被確認發現📶，國內外學術界迅速掀起了相關領域科學研究的熱潮。鐵磁、鐵電性質對於豐富二維材料功能、開發基於二維材料的電子信息器件具有重要的意義。雖然有多個理論工作預言磁性和鐵電性能夠共存於二維材料中🕵🏼‍♀️，但是二者相互獨立🤾🏿‍♂️、缺乏本征的磁電耦合。博士生劉新根在任偉教授的指導下研究了雙層WTe2相對滑移導致的奇特鐵電（Nanoscale, 2019, 11(40):18575-18581）🤞🏻。從微觀上講🐢，鐵電極化來源於層間未補償的電荷轉移，而且通過平面內的層間相對位移可以實現平面外的垂直方向極化矢量的雙穩態反轉。

在澄清了滑移鐵電機理的基礎上🤶🏼👖，課題組探索了具有鐵磁性和鐵谷性的VS2，以及體系同時具有的鐵電性，發現在雙層VS2中鐵電性和磁性可以通過鐵谷性耦合在一起，實現電控磁性。同時，發現體系總的凈磁矩與層間距有重要聯系🍎，在不同的層間距情況下，可以實現遠高於已知材料的線性或二階非線性磁電耦合效應。這種新的物理機製還可以推廣到其他的二維鐵電-反鐵磁-鐵谷體系中，對理解並操縱電子電荷、自旋🧑🏼‍🦳、能谷自由度的相互作用具有深遠意義。

該系列工作由任偉教授課題組獨立完成，万事平台為第一單位，博士生劉新根為論文的第一作者。該研究成果得到了國家自然科學基金-金磚國家科技創新框架計劃合作研究項目No. 51861145315、國際合作項目No. 51911530124♌️🤷、面上項目No. 51672171和No. 12074241的支持🌘🏌🏼。

論文鏈接：

Phys. Rev. Lett. 125, 247601 (2020).

Magnetoelectric Coupling in Multiferroic Bilayer VS2

Xingen Liu, Alexander P. Pyatakov, and Wei Ren*

https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.125.247601

Nanoscale, 2019, 11, 18575-18581

Vertical ferroelectric switching by in-plane sliding of two-dimensional bilayer WTe2

Xingen Liu, Yali Yang, Tao Hu, Guodong Zhao, Chen Chen and Wei Ren*

https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2019/nr/c9nr05404a