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客户成果 | 标度量子的原子力显微系统在测试与表征实验中提供技术支持

发布时间：

2026/03/24

本工作首次实验发现并证实了双层CrTe₂是一种在室温及大气环境下稳定的本征二维多铁性金属，其铁电性源于层间电荷转移诱导的交替反铁磁/铁磁堆叠结构，并由此产生了强磁电耦合，成功演示了无需磁场的“电写磁读”功能。

 

研究背景与挑战

多铁性材料因能通过电场控制磁性，在超低功耗自旋电子学和量子技术中极具前景。然而，块体多铁材料（如BiFeO₃）存在极化小、磁电耦合弱、环境不稳定等局限。二维材料的兴起为原子尺度工程解决这些挑战提供了机会，但实现具有强磁电耦合的室温二维多铁体仍是一个未解决的重大难题。现有本征体系（如NiI₂）居里温度极低（~21 K），而人工异质结则受限于弱界面相互作用和低效的磁电响应。

核心挑战在于如何设计并实现一种在室温、大气环境下稳定工作，并具有强磁电耦合的本征二维多铁性材料。这需要克服铁电性与磁性在微观机制上常相互冲突的固有矛盾，并找到一种超越传统自旋轨道耦合的新机制来实现高效的电控磁。

 

核心创新点

本研究报道了在空气中稳定的双层CrTe₂材料，它展现出本征的室温多铁性，其铁电性源于层间电荷转移诱导的反铁磁/铁磁交替堆叠结构，并通过扫描探针显微镜实现了无需磁场的、非易失性的“电写磁读” 功能。

 

研究内容与实验结果

材料生长与结构表征：通过分子束外延在石墨烯/SiC衬底上成功制备了高质量的单层和双层CrTe₂薄膜。扫描隧道显微镜和低能电子衍射表征显示，双层CrTe₂具有反铁磁（底层）和铁磁（顶层）交替的层状结构，且两层具有不同的晶格常数（底层0.37 nm，顶层0.39 nm）。单层为锯齿形反铁磁序，双层为金属性。

室温铁磁性与铁电性验证：

磁性：超导量子干涉仪测量证实双层CrTe₂在室温下具有明确的铁磁滞回线，饱和磁矩约2.44 μB/Cr离子。X射线磁圆二色性测量进一步验证了其净铁磁矩。

铁电性：压电力显微镜测量在双层CrTe₂上观测到清晰的180°相位滞回和“蝴蝶形”振幅曲线，证实了面外铁电极化的存在和可翻转性，并能通过电场写入“盒中盒”铁电畴图案。

强磁电耦合与“电写磁读”演示：这是工作的核心突破。在同一个区域，先用PFM模式施加电压（+6/-6 V）写入铁电畴图案，随后用磁力显微镜模式进行成像。结果显示，MFM图像中清晰地出现了与PFM写入图案完全对应的磁畴，实现了“电写磁读”。提高写入电压，磁畴对比度也随之增强。该效应在暴露大气两周后依然存在，展现了良好的环境稳定性。

铁电性起源的新机制：通过第一性原理计算，提出了与传统自旋轨道耦合或层间滑移完全不同的新机制。在双层CrTe₂中，铁磁序和反铁磁序的电子能级差异，驱动电子从反铁磁层自发转移到铁磁层。这种层间电荷转移打破了反演对称性，产生了面外铁电极化（~ -3.0 pC m⁻¹）。计算得到的电荷转移量（~ -0.020 C m⁻²）与能量最低点吻合。反转任何一层的磁序（FM↔AFM）即可反转极化方向，从而实现了磁性与铁电性的强耦合。

电场与磁场的相互调控：实验还展示了磁场对铁电畴的调控：随着外加面外磁场增强，PFM和MFM的畴对比度同步减弱，在约1300 Oe时几乎完全均匀化，证明了磁电耦合的双向性。

 

图1 | CrTe₂的范德华外延生长。(a) CrTe₂的三角层状晶体结构（空间群P-3m1）。(b) 在石墨烯/SiC(0001)上生长的单层CrTe₂的典型STM形貌图（Vs = 2.0 V， I = 50 pA）。(c) 单层CrTe₂的LEED图样（电子能量：90 eV），显示晶格常数为0.37 nm。(d) 单层CrTe₂的高分辨SP-STM图像（Vs = -0.1 V， I = 200 pA），显示锯齿状图案。白色矩形标示晶胞。(e) 单层（红）和双层（蓝）CrTe₂的微分电导谱，展示金属行为。BL，双层。(f) 双层CrTe₂的STM形貌图（Vs = -0.5 V， I = 50 pA）。跨越第二层相对于第一台阶的线剖面显示单层厚度。(g) 双层CrTe₂的LEED图样（电子能量：90 eV），揭示两种晶格常数：0.37 nm（外斑点）和0.39 nm（内斑点）。(h) 在双层CrTe₂表面获得的高分辨SP-STM图像（Vs = -0.1 V， I = 200 pA），显示六方晶格常数为0.39 nm。白色菱形标示晶胞。

图2 | 双层CrTe₂中的铁磁和铁电序。(a, b) 在不同温度（20-300 K）下，单层和双层CrTe₂薄膜在面外和面内构型下的M-H磁滞回线。(c, d) 在单层(c)和双层(d) CrTe₂上记录的压电力显微镜相幅（上）和振幅（下）回线。(e, f) 在双层CrTe₂上，使用相反直流偏压（+7和-7 V）写入的“盒中盒”图案的PFM振幅(e)和相位(f)图像。

图3 |  多铁性双层CrTe₂的电写与磁读。(a, e) 在未写入畴的双层CrTe₂清洁平坦区域上获得的PFM相位(a)和MFM(e)图像，显示正常的条纹磁畴结构。(b, f) 在施加相反直流偏压（+6和-6 V）写入“盒中盒”图案后，同一区域的PFM振幅(b)和MFM(f)图像。(c, d, g, h) 当PFM写入偏压增加至+7 V(-7 V)和+8 V(-8 V)时，相应的PFM振幅(c, d)和MFM(g, h)图像。随着PFM写入偏压增加，与写入盒相反偏压区域的对比度变得更强，PFM和MFM通道皆如此。

图4 | 外磁场下铁电和磁畴的演化。(a-d) 逐渐增加外磁场时，同一区域的PFM相位图像。(e-h) 对应磁场下的MFM相位图像。铁电（PFM）和磁（MFM）畴对比度都随着外磁场的增加而逐渐减弱，反映了磁场诱导的磁畴排列及其通过磁电耦合对铁电极化的影响。

图5 | 铁电性的起源。(a, b) 单层CrTe₂在铁磁(a)和锯齿形反铁磁(b)构型下的态密度和能带填充特性。(c) z-AFM/FM双层超晶格的总能量随从z-AFM层转移到FM层的表面电荷密度的变化。插图为相应结构示意图。(d) 分别处于z-AFM和FM构型的单层CrTe₂的静电势。(e) 左：z-AFM/FM双层超晶格的差分电荷密度（Δρ = ρz-AFM/FM - ρz-AFM - ρFM）。红色区域对应电子积累，绿色区域对应电子耗尽。右：沿z方向对应的线剖面。P，电极化场。

 

总结与展望

本工作首次实验发现并证实了双层CrTe₂是一种在室温及大气环境下稳定的本征二维多铁性金属，其铁电性源于层间电荷转移诱导的交替反铁磁/铁磁堆叠结构，并由此产生了强磁电耦合，成功演示了无需磁场的“电写磁读”功能。这项工作突破了对多铁性机制的传统认识，提出了一种由电子填充调控磁序进而产生极化的全新设计范式，为在二维范德华材料中实现强磁电耦合开辟了新道路。双层CrTe₂将本征多铁物理与器件功能无缝衔接，为开发CMOS兼容、高能效的自旋存储器和后摩尔时代纳米电子学提供了一个极具潜力的材料平台。

 

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