AFM：研究發現具備高居里溫度與高自旋極化的二維磁性材料

摩爾定律指出，半導體芯片上的晶體管數量每18到24個月翻一番，推動計算性能提升并降低成本。然而，隨著晶體管尺寸不斷縮小，逐漸接近物理極限，摩爾定律的增速開始放緩，電子器件領域進入“后摩爾時代”。在這一背景下，厚度低于2納米的二維磁性材料成為開發超薄自旋電子器件的關鍵，也是突破技術瓶頸的重要方向。尋找具備高自旋極化率和高居里溫度的二維磁性材料，成為該領域面臨的重大科學挑戰。

2019年，衢州學院楊建輝與中科院寧波材料所陳亮團隊通過理論研究證明，二維半金屬Cr₂NO₂材料可用于制備厚度僅為1納米的超薄自旋閥，并實現高達9333%的開關比(Matter,2019,5,1304)。然而，實驗制備這類材料仍面臨較大挑戰。

利用二維磁性材料Cr₂NO₂制備超薄自旋閥原理圖

近日，該科研團隊通過第一性原理計算結合隨機森林算法，發現二維磁性Cr基MXene材料(Cr₂CO_x)具有較高的自旋極化率和居里溫度，具備應用于超薄自旋電子器件的潛力，并有望在室溫下實現性能穩定。相關研究成果已發表在國際頂級期刊《先進功能材料》上。

該材料的熱容率隨溫度的變化規則，材料的電子態密度，以及材料的原子排布規則。

在研究中，團隊通過第一性原理計算分析了200多種不同氧原子吸附構型的電子特征與磁性，并利用隨機森林算法構建了該材料的機器學習模型，對其表面氧原子的吸附能、自旋交換作用能及居里溫度的預測準確度超過90%。這有效證明了Cr₂CO_x作為高自旋極化二維材料的潛力，并有望在室溫下應用。研究還表明，該材料可以通過脫氟、脫氫等方法實現制備。

然而，要在實際應用中成功實現超薄自旋電子器件，如何高效且低成本地制備該材料仍然是一個挑戰。此外，該材料在實際器件中的磁性表現尚未完全明確，需要進一步的研究和探索。當前，該團隊已開發出高效的數據處理和第一性原理模擬技術，能夠進行大規模的材料設計與理論預測。

談及如何在科研條件相對有限的地方本科院校推動前沿科學研究，楊建輝教授表示，保持科研熱情、勇于探索新技術、并與國內外頂尖科研團隊積極合作是關鍵。值得一提的是，楊建輝教授去年在中國科學技術大學楊金龍院士的指導下，學習并掌握了機器學習方法，這對推動此次研究起到了重要作用。此外，該團隊還利用第一性原理計算，協助中國人民大學程鵬課題組成功制備了新型二維磁性材料FePd₂Te₂(Journal of the American Chemical Society, 2024, 146, 21546)、DyOCl(Physical Review B 2021, 104, 214410)。

論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202411170