科学岛团队实现室温手性多铁性与拓扑特性二维材料设计新突破

近日，中国科学院合肥物质院固体所计算物理与量子材料研究部在设计具有室温多铁性和本征拓扑特性的金属有机框架材料方面取得了重要进展。研究人员通过在具有d-p自旋耦合的金属有机框架材料中引入兼具手性和极性的有机连接体，理论预言了一类呈现室温磁性、手性铁电性和拓扑特性的二维多功能材料，为下一代自旋电子学和信息存储器件的发展提供了新的思路。相关结果发表在Nano Letters 上。

多铁性和磁性拓扑材料为下一代电子信息器件的发展奠定了重要基础，并长期受到科研人员的广泛关注。然而，由于较低的居里温度，大多数已预测或合成的候选材料在实际应用中受到了限制。手性作为材料的一个重要特性，在手性感知、分子识别等领域中发挥着重要作用。将手性引入多铁性或磁性拓扑材料中不仅能增强其功能特性，还能激发新的物理现象。遗憾的是，这方面的研究仍然相对有限，特别是具备室温磁性的二维纯手性多铁和磁性拓扑材料鲜有报道。此外，实现手性与多铁性或拓扑特性之间的有效耦合以及调控，也是一个极具意义的挑战。

为此，研究人员采用具有手性和极化特征的4-(3-羟基吡啶-4-基)吡啶-3-醇 (HPP) 作为有机连接体，并使用过渡金属（TM = Cr, Mo, 和 W）作为有机节点，预测了一类呈现室温多铁性和拓扑节点的纯手性TM(HPP)2金属有机纳米片。该体系的纯手性由手性HPP有机连接体引入，结构手性的变化可以诱导体系外尔声子的拓扑相变。该体系中的室温磁性源于TM阳离子与二重态HPP阴离子之间的强d-p直接自旋耦合，铁电性则是来源于晶格结构中空间反演对称性的破缺。基于铁电性和手性之间的耦合，体系的光吸收和声子的拓扑性质能够通过电场得到有效调控。值得注意的是，这类材料均属于拓扑非平庸材料，在费米能级附近展现出二次型拓扑节点。

基于该工作，研究人员可以通过替换取代基种类、改变金属节点类型或调整晶格种类来获得更多不同的手性多铁和磁性拓扑材料。上述策略不仅将手性特征引入了室温多铁和磁性拓扑材料中，还提供了一种设计二维多功能金属有机材料的理论框架，为相关领域的发展提供了新的推动力。

图. 具有手性、室温磁性、铁电性和拓扑特性的二维金属有机框架材料示意图。