AFM：研究发现具备高居里温度与高自旋极化的二维磁性材料

摩尔定律指出，半导体芯片上的晶体管数量每18到24个月翻一番，推动计算性能提升并降低成本。然而，随着晶体管尺寸不断缩小，逐渐接近物理极限，摩尔定律的增速开始放缓，电子器件领域进入“后摩尔时代”。在这一背景下，厚度低于2纳米的二维磁性材料成为开发超薄自旋电子器件的关键，也是突破技术瓶颈的重要方向。寻找具备高自旋极化率和高居里温度的二维磁性材料，成为该领域面临的重大科学挑战。

2019年，衢州学院杨建辉与中科院宁波材料所陈亮团队通过理论研究证明，二维半金属Cr₂NO₂材料可用于制备厚度仅为1纳米的超薄自旋阀，并实现高达9333%的开关比(Matter,2019,5,1304)。然而，实验制备这类材料仍面临较大挑战。

利用二维磁性材料Cr₂NO₂制备超薄自旋阀原理图

近日，该科研团队通过第一性原理计算结合随机森林算法，发现二维磁性Cr基MXene材料(Cr₂CO_x)具有较高的自旋极化率和居里温度，具备应用于超薄自旋电子器件的潜力，并有望在室温下实现性能稳定。相关研究成果已发表在国际顶级期刊《先进功能材料》上。

该材料的热容率随温度的变化规则，材料的电子态密度，以及材料的原子排布规则。

在研究中，团队通过第一性原理计算分析了200多种不同氧原子吸附构型的电子特征与磁性，并利用随机森林算法构建了该材料的机器学习模型，对其表面氧原子的吸附能、自旋交换作用能及居里温度的预测准确度超过90%。这有效证明了Cr₂CO_x作为高自旋极化二维材料的潜力，并有望在室温下应用。研究还表明，该材料可以通过脱氟、脱氢等方法实现制备。

然而，要在实际应用中成功实现超薄自旋电子器件，如何高效且低成本地制备该材料仍然是一个挑战。此外，该材料在实际器件中的磁性表现尚未完全明确，需要进一步的研究和探索。当前，该团队已开发出高效的数据处理和第一性原理模拟技术，能够进行大规模的材料设计与理论预测。

谈及如何在科研条件相对有限的地方本科院校推动前沿科学研究，杨建辉教授表示，保持科研热情、勇于探索新技术、并与国内外顶尖科研团队积极合作是关键。值得一提的是，杨建辉教授去年在中国科学技术大学杨金龙院士的指导下，学习并掌握了机器学习方法，这对推动此次研究起到了重要作用。此外，该团队还利用第一性原理计算，协助中国人民大学程鹏课题组成功制备了新型二维磁性材料FePd₂Te₂(Journal of the American Chemical Society, 2024, 146, 21546)、DyOCl(Physical Review B 2021, 104, 214410)。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202411170