二维多铁材料，实现室温电控磁性

多铁材料是指可同时呈现两种及以上铁性序的材料。铁性序是一类物理性质的稳定排布，可通过外部激励实现状态切换。这类材料对多种技术的发展具备极高应用价值，包括非易失性低功耗存储器件、自旋电子器件、微型化电子器件、神经形态硬件、传感器以及磁电器件。

多铁材料的核心优势在于其不同的铁性序之间能够发生耦合。举例来说，工程师可以利用电压改变材料的磁性行为。尽管应用前景广阔，但截至目前，合成能够在室温下保持稳定、超薄且可控的多铁材料依旧颇具挑战。

马里兰大学及其他科研机构的研究人员近期提出一种制备范德华异质结的方案，该异质结可在室温条件下展现多铁特性。论文指出，研究人员借助该方案成功制备出二维多铁异质结，仅需施加微小电压就可以对其磁性进行调控。

该论文的通讯作者Cheng Gong在接受采访时表示：“在二维体系中实现长程铁性序（例如铁磁序与铁电序）本身就并非易事。要在同一个二维体系中将多种铁性序集成在一起难度则更大。在室温热扰动的影响下，于二维体系实现多重铁性序，其挑战可想而知。但一旦实现突破，回报也将十分可观。”

该室温二维多铁异质结器件由二维铁电材料CuInP₂S₆、二维铁磁材料Fe₃GaTe₂以及配套电极构成。

在二维材料中实现铁性序调控，长期以来都是材料科学家追求的目标。Cheng Gong及其团队多年来一直朝着这一方向开展研究。

Cheng Gong解释道：“想要在单一材料中同时实现两种或多种铁性序并不简单，因为在二维体系中，不同铁性序的稳定存在会受到不同因素的制约。我们的思路是，在两个相互独立的二维薄层分别实现二维铁磁序与二维铁电序，再把二者结合，构筑异质结。”

研究团队利用该方法，将铁磁材料二碲化三镓铁（Fe₃GaTe₂）与铁电材料硫代磷酸铜铟（CuInP₂S₆）组合，得到新型异质结。首先，他们从大块晶体上机械剥离，得到这两种材料的薄层。

随后将铁电材料CuInP₂S₆薄片置于铁磁材料Fe₃GaTe₂薄片之上，构筑垂直堆叠的范德华异质结。最后制备透明氧化铟锡（ITO）电极与金属铬金（Cr/Au）电极，用于向异质结施加电压。

Cheng Gong说：“我们这套方案最突出的优点，是化解了在单相材料中实现多种不同铁性序的难题。由此带来另一大优势：科研人员拥有极高的自由度，挑选不同二维铁性材料、调控各层铁性材料厚度、改变层间扭转角与滑移匹配方式，就能够组合出种类繁多的多铁异质结。”

Cheng Gong团队制备的多铁异质结，在292开尔文（约19摄氏度）条件下，同时具备Fe₃GaTe₂的铁磁序与CuInP₂S₆的铁电序。此外，对该材料施加微小电压，就可以让器件在不同矫顽力的磁态之间切换；并且撤去电压之后，这些磁态仍可以维持。

值得关注的是，该器件可以在两种磁态之间完成超过3000次切换，没有出现明显疲劳衰减。另外，异质结磁性的电控效应在Fe₃GaTe₂薄层最薄的时候最强，随着该层厚度增加，电控效果会随之减弱。

Cheng Gong表示：“我们已经在室温二维体系中实现了多重铁性序。这项工作有望推动高能效自旋电子器件、集成非线性与非互易光子器件、以及超小型高灵敏电场、磁场传感器的发展。”

未来，研究人员提出的这套策略还可以进一步改进，用来制备其他不同组分的室温多铁材料。这类材料有望应用于小型非易失性存储器，或是其他电控磁电、自旋电子、磁光器件。

Cheng Gong补充说：“后续还有多个值得深入探索的研究方向：二维多铁材料的低压开关特性，进一步提升二维器件平台的工作温度等。”