近日，复旦大学微纳电子器件与量子计算机研究院沈健/王文彬研究团队在低维多铁材料研究领域取得重要进展。团队在厚度仅为一个半晶胞的六方铁酸镥（h-LuFeO₃）薄膜中，实现了铁电性与磁性的稳定共存，并进一步实现了对磁响应的电学调控。相关成果以“Multiferroicity in the Two-Dimensional Limit in Hexagonal LuFeO₃ Films”为题，发表于国际物理学权威期刊《Physical Review Letters》。

多铁材料同时具有多种铁性序，不仅为研究电、磁、晶格等多自由度之间的耦合提供了重要平台，也在低功耗存储、自旋电子学和多功能纳电子器件中具有广阔应用前景。然而，当材料厚度减小至原子尺度时，铁电性容易受到退极化场抑制，磁性也会因有限尺寸效应和热涨落而迅速减弱。因此，不同铁性序能否在真正的二维极限下共存，并保持相互耦合，一直是凝聚态物理领域的重要问题。近年来，二维范德华材料为低维多铁性研究提供了新的方向，但材料的环境稳定性、可重复性以及大面积可控制备仍面临挑战。

在本项工作中，研究团队通过原子尺度界面工程和精确外延生长，将h-LuFeO₃薄膜厚度降低至仅一个半晶胞。实验结果表明，即使在这一接近原子层的二维极限下，薄膜仍保持稳定、可翻转的室温铁电极化，其关键极性结构畸变与块体材料相当。与此同时，研究团队利用磁近邻效应，成功探测到该超薄薄膜中持续存在的磁有序，从而证实铁电性和磁性能够在氧化物二维极限下稳定共存。研究进一步揭示，h-LuFeO₃中的K₃晶格畸变在二维极限下仍然保持稳定。这一结构畸变不仅驱动非正规铁电极化，也通过自旋—晶格耦合影响磁性，是多铁性得以在原子尺度下存续的关键。更重要的是，研究团队发现，通过电场改变铁电畴状态，可以显著调控材料的磁响应：在接近单畴状态下磁信号增强，而在多畴状态下磁信号减弱，揭示了由铁电畴壁介导的磁电耦合机制。

与许多对空气和环境敏感的二维材料不同，该超薄氧化物薄膜在长时间空气暴露后仍能保持稳定的多铁性质，体现出好的环境稳定性和器件兼容潜力。该研究将氧化物多铁性推进至原子尺度极限，为理解低维条件下不同铁性序及其耦合的稳定机制提供了新的实验依据，也为未来发展高密度、低功耗的自旋电子和纳电子器件提供了新的材料平台。

复旦大学博士生赖辉琳为论文第一作者。复旦大学沈健教授、王文彬研究员及北京科技大学邓世清教授为共同通讯作者。该研究由复旦大学、北京科技大学、美国布鲁克海文国家实验室和内布拉斯加大学林肯分校等单位合作完成。该研究得到了国家重点研发计划、量子科学与技术创新计划、国家自然科学基金、上海市科技重大专项及小米青年学者基金等项目的支持。

论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/zxsb-7cj3

图示说明：（a）h-LuFeO₃超薄膜的原子尺度结构及向上、向下铁电极化畴；（b）h-LuFeO₃磁转变温度随薄膜层数变化的相图；（c）通过调控铁电畴状态实现的磁电耦合现象。