[论文解读] Atomic-scale visualization of multiferroicity in monolayer NiI$_2$

Mohammad Amini, Adolfo O. Fumega+5 more|arXiv (Cornell University)|Sep 20, 2023

2D Materials and Applications参考文献 48被引用 4

一句话总结

本研究采用原子分辨率扫描隧道显微镜（STM）和密度泛函理论（DFT）直接观测了单层NiI₂中的II型多铁序，揭示了自旋螺旋序与强自旋-轨道耦合共同诱导出可通过静电势调制检测的铁电极化。关键结果是首次直接实验观测到多铁畴壁的电场调控，证实了在原子尺度上存在磁电耦合。

ABSTRACT

Progress in layered van der Waals materials has resulted in the discovery of ferromagnetic and ferroelectric materials down to the monolayer limit. Recently, evidence of the first purely two-dimensional multiferroic material was reported in monolayer NiI$_2$. However, probing multiferroicity with scattering-based and optical bulk techniques is challenging on 2D materials, and experiments on the atomic scale are needed to fully characterize the multiferroic order at the monolayer limit. Here, we use scanning tunneling microscopy (STM) supported by theoretical calculations based on density functional theory (DFT) to probe and characterize the multiferroic order in monolayer NiI$_2$. We demonstrate that the type-II multiferroic order displayed by NiI$_2$, arising from the combination of a magnetic spin spiral order and a strong spin-orbit coupling, allows probing the multiferroic order in the STM experiments. Moreover, we directly probe the magnetoelectric coupling of NiI$_2$ by external electric field manipulation of the multiferroic domains. Our findings establish a novel point of view to analyse magnetoelectric effects at the microscopic level, paving the way towards engineering new multiferroic orders in van der Waals materials and their heterostructures.

研究动机与目标

• 实验表征单层NiI₂中多铁性的原子尺度起源，该材料被提议为二维II型多铁体。
• 通过局域探针显微镜克服体材料和光学技术在探测二维材料中多铁序时的局限性。
• 通过外部电场调控多铁畴，建立单层NiI₂中磁电耦合的直接实验证据。
• 为该范德瓦尔斯材料中出现的铁电极化与自旋螺旋矢量提供微观理解。
• 开发一种可推广的策略，用于探测和调控二维范德瓦尔斯异质结构中的多铁序。

提出的方法

• 利用低温扫描隧道显微镜（STM）成像单层NiI₂的局域电子结构及静电势调制。
• 采用非共线密度泛函理论（DFT）计算模拟磁性自旋螺旋序，并预测相应的铁电极化。
• 通过STM探针施加电压脉冲，局域调控多铁畴边界，并在实空间中观察其运动。
• 将缺陷（中性与带电）识别并用作空间参考，以量化电场调控过程中畴壁的位移。
• 通过测量STM谱中的能带弯曲，估算材料中电极化的大小。
• 将实验STM图像与自旋螺旋周期性和极化方向的理论预测相关联，提取自旋螺旋波矢量q和交换相互作用比J₃/J₁。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用扫描隧道显微镜在原子尺度上直接观测单层NiI₂中的多铁序？
• RQ2 单层NiI₂中自旋螺旋序与出现的铁电极化之间存在何种关系？
• RQ3 能否通过局域电场控制多铁畴的实验手段，证实单层NiI₂中的磁电耦合？
• RQ4 单层NiI₂中的电极化大小是多少，其与观测到的静电势调制有何关联？
• RQ5 在电场诱导的畴壁运动过程中，带电与中性缺陷的行为如何，它们能否作为可靠的时空参考？

主要发现

• STM实验揭示了局域态密度的周期性调制，其周期为自旋螺旋的一半，从而可直接确定倒易晶格单位下的自旋螺旋波矢量q = (0.069, 0.041, 0)。
• 观测到的能带弯曲为100–200 meV，对应估算的电极化P ∼ 10⁻¹² C/m，与理论预测一致。
• STM探针施加的电压脉冲可诱导可重复的多铁畴壁运动，畴边界远离探针位置移动，证明了对磁性与铁电序的直接电场调控。
• 带电缺陷在电场扰动下可移动，而中性缺陷保持静止，使其可作为跟踪畴壁位移的可靠空间参考。
• 测得的第三近邻与第一近邻交换相互作用比为J₃/J₁ = -0.263，与DFT计算得出的自旋螺旋模型一致。
• STM成像与DFT计算的结合证实，单层NiI₂中的多铁序源于自旋-轨道耦合诱导的铁电性，其基态为自旋螺旋态，确立了二维多铁性的稳健机制。