浙江理工大学和华中科技大学研究团队提出了一种半滑移铁电性，使得每个在二维材料的双层中插入的金属卟啉分子可以独立存储1比特数据，并在一定条件下产生一种迄今为止未曾报道的多铁耦合类型。相关成果以“Single Molecular Semi-Sliding Ferroelectricity/Multiferroicity”为题发表在Research上(Research,2024 DOI:10.34133/research.0428)
Citation:Zhong T,Zhang H,Wu M.Single Molecular Semi-Sliding Ferroelectricity/Multiferroicity.Research 2024;7:Article 0428.
https://doi.org/10.34133/research.0428
研究背景
近年来，具有超低翻转势垒，高居里温度和抗铁电疲劳特性的独特滑移铁电机制已在一系列二维材料中得到实验证实，引发学术界高度关注。然而其实际应用受到几个方面的限制：低极化、铁电相合成受限于特定的堆叠方式，由于翻转过程涉及整层的大面积同时滑移而导致的低密度数据存储问题。
研究进展
研究团队首先在不同堆叠构型的MoS2双层中插入单金属卟啉分子TiP（图1），发现MoS2不同堆垛方式均可产生较大的垂直极化。为了翻转这种极化，Ti离子需要与另一层MoS2中最近的S原子结合，翻转过程涉及Ti离子的垂直位移和整个分子的面内滑动，这被称为半滑移铁电性。每个分子在室温条件下可独立存储1比特数据，并且可将面存储密度的上限从以前超顺磁的~40 GB/in2提高到~106 GB/in2。
图1 （A）TiP分子插入AB堆叠的双层MoS2中，（B）铁电翻转路径，其中蓝色箭头代表电极化方向，粉红色箭头代表面内滑移方向
平行堆叠的BN双层和MoS2双层有铁电性，反平行堆叠结构是非极性的。然而对于半滑移铁电来说与双层结构的堆叠顺序无关。如图2所示，即使当MoS2双层以反平行方式堆叠或存在扭转角度，仍可以形成垂直极化，因为TiP分子中的Ti离子都会与MoS2层中的一个S离子结合，其极化翻转可通过Ti离子的垂直位移和整个分子的面内滑动来实现。
图2 （A）TiP分子插入到反平行堆叠的双层MoS2中，（B）TiP分子插入转角双层MoS2中，二者都会导致非对称结合以及垂直极化
当TiP分子插入到磁性双层中，将出现铁电与磁性的耦合，比如双层VSe2，插入TiP分子的VSe2体系是层内铁磁，层间反铁磁耦合，Ti离子与它束缚的VSe2层成铁磁耦合（图3），因此体系出现一个0.30 μB的净磁矩，该净磁矩能随着TiP分子滑移翻转极化而翻转。
图3 具有TiP分子插层的（A）平行堆叠和（B）反平行堆叠的双层VSe2的极化双稳态、翻转路径及能带结构
TiP分子的铁磁耦合作用，使得VSe2层的居里温度提高到接近室温（图4），且由于垂直极化的出现，两层之间的居里温度存在显著差异。在一定温度范围内，随着铁电翻转，两层之间出现顺磁-铁磁互换，这种多铁耦合类型迄今为止未曾报道，可应用于数据高效“电写+磁读”。
图4 纯VSe2单层和与TiP分子结合的VSe2层中，磁性随温度变化的关系。对于TiP分子插入的双层VSe2，在绿色箭头标记的温度下，铁电翻转可实现双层间的顺磁——铁磁相的交换
未来展望
半滑移铁电性不受堆叠方式的影响，还具有高极化和超高数据存储密度的优势，有可能解决滑移铁电性在实际应用中的主要问题。而将金属卟啉分子插入到磁性层状材料中有望出现新奇的多铁耦合，期望性能优越的半滑移铁电/多铁体得以实验验证。
作者简介
钟婷婷，博士，毕业于华中科技大学物理学院，现任职于浙江理工大学，主要从事低维铁电和多铁性研究，在滑移铁电方面积累了丰富的研究经验，近年来在Adv Sci、Natl Sci Rev、ACS Nano、Phys Chem Chem Phys、J Mater Chem A、WIREs Comput Mol Sci等期刊上以第一作者或合作研究发表SCI论文10多篇，主持国家自然科学基金青年基金一项。
吴梦昊，华中科技大学物理学院教授，博士生导师。主要从事二维铁电/多铁的理论计算研究，一系列相关预测随后得到实验证实，尤其提出的滑移铁电机制引发学术界高度关注。目前以通讯作者在Nat Rev Phys、Nat Commun、Sci Adv、PNAS、Natl Sci Rev、PRL、JACS等期刊发表文章60余篇，入选Elsevier中国高被引学者。
往期回顾
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