长春理工大学-Nanoscale: 二维MXene-Mo2NCl2中的多铁性以及磁化的电场调控

一、【导读】

磁电多铁性材料中相互耦合的铁电和磁性序参量，为实现电极化的磁场调控或磁化的电场调控提供了潜在的可能性，在基础凝聚态物理研究和高性能自旋电子器件应用方面大有前途，如超快，非挥发性铁电/磁存储器。受二维范德华 (vdw) 磁性和电性材料领域最新进展的启发，人们越来越多地致力于将磁性和铁电性集成到二维vdw材料中，这可以进一步提高处理器件的场调制效率和数据存储密度。然而，多铁性材料中互斥的铁电性和磁性以及低的磁性临界温度和弱磁电耦合效应，一直以来都是困扰研究人员的科学问题。因此，设计出新型二维多铁性材料并能够实验磁电耦合效应具有重要的实际应用意义。

二、【成果掠影】

今日、长春理工大学固态激光技术与应用重点实验室副研究员辛潮、韩国科技大学博士后宋炳乾、江苏大学宋永利教授以及北京大学潘锋教授团队合作设计出了一种新型的二维多铁性材料: MXene-Mo₂NCl₂。该二维材料由于其内部的失衡的Mo离子电荷歧化现象，导致晶格结构发生中心反演对称性破缺，进而产生面外的铁电极化。此外，电荷歧化现象还导致了体系的反铁磁性。同时，这种反铁磁有序通过外加电场可以使其转变成为铁磁性。相关研究成果以“Charge disproportionation-induced multiferroics and electric field control of magnetism in a 2D MXene – Mo₂NCl₂” 为题发表在国际知名学术期刊《Nanoscale》上。

三、【核心创新点】

该项研究在二维MXene-Mo₂NCl₂材料中发现了反铁磁和铁电性共存的多铁性。而且，其中的磁性转变温度高于目前已经发现的大多数二维磁性材料的Curie温度。最后，通过外加电场实现了对磁性的调控。

四、【数据概览】

图1. 单层Mo₂NCl₂的晶格结构弛豫前后对比，声子能带和分子动力学计算结果图。

(a) T相的晶格结构图；(b) 经过完全弛豫后计算得到的Cm结构图；(c) 完全弛豫结构时的计算的声子谱；(d) AIMD计算的300 K时结构的热力学稳定性。Mo₂NCl₂结构在完全弛豫的情况下，发生两个方面的结构畸变，一是上层的Mo和Cl原子向右侧移动，二是Mo基八面体进一步发生去中心化的畸变。通过DFT+U的计算测试，发现在不同的终端原子组成的MXene中只有TOO相的Mo₂NCl₂的结构是同时具备中心反演对称性破缺，以及动力学和热力学稳定的结构。

图2. Mo²⁺ 和 Mo³⁺的d轨道投影能带和态密度图。

(a) Mo²⁺的d轨道投影能带图；(b) Mo₁的d轨道和N的2p轨道投影DOS图；(c) Mo³⁺的d轨道投影能带图；(d) Mo₁的d轨道和N的2p轨道投影DOS图。由基于DFT+U计算得到的电子结构中发现Mo离子的电荷歧化现象。

图3. 2×1×1 Mo₂NCl₂的超晶格结构俯视图 (沿c轴)。

(a) J₁和J₂代表最近邻和次近邻自旋交换相互作用；(b) 铁磁结构；(c) 1类反铁磁结构；(d) 2类反铁磁结构。进而采用海森堡 (Heisenberg) 模型拟合出交换积分J₁、J₂、和DM相互作用参数D以及磁各向异性参数A。

图4. 蒙特卡洛 (Monte Carlo) 模拟磁性转变温度的结果。

(a) 比热Cv随温度的变化曲线；(b) 磁化率和磁矩随温度的变化曲线。基于海森堡模型，通过蒙特卡洛模拟最终计算出Mo₂NCl₂的磁性转变温度为~168 K。高于目前研究较为广泛的CrI₃ (T_C = 45 K)和Cr₂Ge₂Te₆ (T_C = 30K)。

图5. DFT+U计算得到的静电势以及铁电翻转能垒。

(a) Cm结构的Mo₂NCl₂的静电势、电偶极矩以及Bader电荷分布；(b) 通过NEB方法计算得到的铁电翻转路径和翻转能垒。

图6. 外加电场情况下的交换能E_afm2-E_fm的变化曲线。

通过对Cm相的Mo₂NCl₂的c轴方向施加外电场，比较2类反铁磁和铁磁能量变化，观测磁性在外加电场时的变化状态，最终实现磁化的电场调控。

五、【成果启示】

此项研究基于密度泛函理论的第一性原理计算，设计出一种新型的二维MXene反铁磁/铁电-多铁性材料Mo₂NCl₂。其中表现出out-off-plane的电极化本征的反铁磁性。通过声子谱和AIMD的计算证实了体系的动力学和热力学稳定性。利用蒙特卡洛模拟计算了Mo₂NCl₂的磁性转变温度为168K，高于目前研究的大部分二维多铁性材料的临界温度。我们的工作为单层MXene的应用提供了机会Mo₂NCl₂，建立了一个设计2D可切换平面外电极化的模型，并发现了一类具有可开关磁化以及平面外极化的理想2D多铁性材料，对下一代纳米电子和纳米自旋电子器件具有重要意义。

原文详情：Charge disproportionation-induced multiferroics and electric field control of magnetism in a 2D MXene – Mo₂NCl₂. Nanoscale. (2023).

https://doi.org/10.1039/D3NR02600K