碘化鎳二維材料中的“多鐵”狀態(tài)：鐵電與鐵磁同時存在

近日，麻省理工學院的物理學家在一種像單層原子一樣薄的材料中發(fā)現(xiàn)了奇異的“多鐵性”狀態(tài)。他們的觀察結(jié)果首次證實了多鐵性可以存在于完美的二維材料中。這些發(fā)現(xiàn)為開發(fā)更小、更快、更高效的數(shù)據(jù)存儲設(shè)備鋪平了道路，因為這些設(shè)備一般采用超薄多鐵位以及其他新的納米級結(jié)構(gòu)構(gòu)建而成。

研究者解釋，二維材料就像樂高積木——你把一個放在另一個上面，就可以制作出與任何一塊都不同的東西?，F(xiàn)在團隊有了一個新的樂高積木：單層多鐵，可以與其他材料堆疊以產(chǎn)生有趣的特性。

在大多數(shù)情況下，材料要么是鐵電的，要么是鐵磁的，它們很少同時體現(xiàn)兩種狀態(tài)。但近年來，科學家們在實驗室中合成了具有多鐵特性的材料，既可以用作鐵電體，也可以用作鐵磁體，并且有一種奇怪的耦合方式。例如，電子的磁自旋不僅可以通過磁場切換，還可以通過電場切換。

所有已知的多鐵性例子都是三維的，那這些狀態(tài)能否以二維形式存在于單個原子片中？為了回答這個問題，該團隊研究了碘化鎳(NiI 2)，這是一種眾所周知的散裝多鐵性合成材料。

雖然其他二維材料（如石墨烯）可以簡單地通過從石墨等大塊版本中剝離層來制造，但碘化鎳的獲取更困難，該團隊需要一種新方法來合成二維形式的材料。研究團隊借鑒了一種稱為外延生長的技術(shù)，其中薄的原子片材料在另一種基材上“生長”。團隊使用六方氮化硼作為大塊基礎(chǔ)，并將其放入熔爐中。在這種材料上，他們將其流過鎳和碘化物粉末，它們以完美的原子薄碘化鎳薄片沉積在氮化硼上。

研究人員逐漸將二維薄片冷卻至低至20開爾文的溫度，此前觀察到該材料以三維形式表現(xiàn)出多鐵特性。然后他們進行了單獨的光學測試，首先探測材料的磁性，然后是電學特性。在大約20開爾文的溫度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)該材料既是鐵磁的又是鐵電的。

該團隊的實驗證實，碘化鎳在其二維形式中是多鐵性的。更重要的是，這項研究首次證明了多鐵有序可以存在于二維中——這是構(gòu)建納米級多鐵存儲位的理想維度。

題為Evidence for a single-layer van der Waals multiferroic的相關(guān)研究論文發(fā)表在《自然》上。

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論文原文：

https://www.nature.com/articles/s41586-021-04337-x

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