铁性材料是具有如铁磁、铁电、铁弹等铁性序的材料，这些材料的主要共同特征是在临界温度会发生伴随对称破缺的相变，它们往往具有多个稳态并可在外界作用下发生状态之间的改变，从而在能量转换、信息存储、传感等领域具有重要应用价值。近年来，人们在二维材料中也发现了铁磁性和铁电性的存在，并揭示出与常规块体铁性材料不完全相同的新奇特性，引起了人们的广泛关注和研究。中国科学院大学（以下简称“国科大”）苏刚教授研究团队系统研究了二维MGeX3 (M =金属元素，X = O/S/Se/Te)材料家族的铁磁性、铁电性和铁弹性等铁性性质，得到了该家族材料完整的铁性地图，首次发现该家族中存在二维铁电材料，并预言了两种室温二维铁磁半金属。该研究工作刚刚在Nano Research 在线出版。Nano Research 2020年入选“中国科技期刊卓越计划”领军期刊。
图1 （a）二维MGeX3结构示意图，其中FM代表铁磁，FE代表铁电，FEA代表铁弹，（b）三种铁磁半金属（CoGeSe3, MnGeSe3, MnGeTe3）的磁化随温度变化的蒙特卡洛模拟，其中CrGeTe3为实验发现的二维铁磁材料。
苏刚研究团队通过高通量第一性原理计算，对二维MGeX3家族（共包含148个材料）进行了系统全面的研究，预言了11种稳定的二维铁电半导体，八种稳定的二维铁磁（包括5个半导体和3个半金属），21个二维反铁磁，其中有两个材料具有多铁性（图2）。这可能是第一次在二维MGeX3材料家族中发现铁电性。还新发现二维MnGeSe3和MnGeTe3为二维铁磁半金属（half-metals），其铁磁居里转变温度（TC）分别为490 K和308 K（图1（b））。文章还揭示了该家族材料的二维铁电物理机制源于Ge-Ge原子沿垂直方向位移引起的自发对称性破缺；并通过统计分析发现电极化（P）与硫族元素X原子和金属元素M原子的电负性之比呈线性关系，发现形成稳定二维铁电的条件和规律。文章最后结合已发现的二维MGeX3家族的铁磁性和铁电性，以基于MGeX3材料的磁性隧道结（TMR）和水分解光催化剂为例，探讨了它们的应用前景。这项工作不仅大大丰富了二维铁性材料家族，也将激发人们对2D MGeX3家族进行深入理论和实验研究以及探索其作为多功能材料的应用。
图2 二维 MGeX3家族的铁性地图：(a) MGeO3, (b) MGeS3, (a) MGeSe3 和 (d) MGeTe3。不同颜色代表不同铁性，同一个格子具有两种颜色即代表该材料具有多铁性。
该研究工作在闫清波教授和苏刚教授共同指导下完成。这项工作得到了国家重点研发计划项目（2018YFA0305800）、中国科学院先导项目（XDB28000000）、国家自然科学基金委（11834014）和北京市科委（Z191100007219013）的资助。相关计算在中国科学院超级计算中心和国家超级计算广州中心的天河二号平台上完成。
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Kuan-Rong Hao, Xing-Yu Ma, Hou-Yi Lyu, Zhen-Gang Zhu, Qing-Bo Yan, and Gang Su. The atlas of ferroicity in two-dimensional MGeX3 family: Room-temperature ferromagnetic half metals and unexpected ferroelectricity and ferroelasticity.
DOI: 10.1007/s12274-021-3415-6