近日，钱正芳教授领衔的先进电子与智能天线团队在二维ABO3多铁氧化物的高通量剥离、磁电耦合、以及多物理场调控研究方面取得最新进展，相关结果以“High-throughput exfoliation of multiferroic ternary oxide monolayers with high transition temperature and giant spin splitting”为题发表于Nature旗下计算材料科学顶刊《npj Computational Materials》，深圳大学为第一单位，2024级硕士研究生钟泳乐为论文第一作者，黄浦副教授为通讯作者。

图1. ABO3氧化物的晶面筛选和高通量剥离，以及原创程序ECP。

二维多铁材料因其优异的电子性质和广阔的应用前景，近年备受关注。通过调控铁电、铁磁等铁性序及其与电荷、自旋自由度的耦合，可实现对极化和磁有序的可逆操控，在单一材料体系中实现电、磁与力学响应的多场联动。这使二维多铁材料成为磁电传感器、可重构微波器件、非易失性存储以及超快开关等器件的潜在核心材料，并在存算一体、类脑计算和人工智能硬件等方向展现重要潜力。作为典型的功能材料体系，ABO3三元氧化物在二维极限下有望呈现区别于块体的新奇物性，为高集成多功能器件提供新的材料平台。近年来，多种二维超薄ABO3结构已被实验制备，如 SrTiO3、BiFeO3单层以及BaTiO3、KNbO3、BiCoO3、SnTiO3薄膜，展现出快速铁电极化翻转、超高铁电隧穿电阻调制（~400%），以及强非线性光学与双极性电阻开关的耦合。若能将这些优异性能延伸至二维极限，有望在保持功能多样性的同时显著推进器件的微型化与高度集成。困难在于：面对数量繁多的ABO3氧化物及其多种晶面取向，哪些晶面能够被剥离成结构稳定的原子级单层？这些材料在二维极限下是否还能保持，甚至增强其多铁与自旋特性？通常，剥离过程往往伴随表面重构与相变，新出现的低能相不仅会改变剥离难度，还会显著影响结构畸变、极化模式与自旋序，从而重塑材料的电子与自旋响应。因此，发展一套能够自主识别可剥离晶面，并描绘非范德华材料体系从三维到二维的维度降低过程中结构—极化—自旋等参量演化的方法，对实现单层ABO3的高通量筛选，并在更广泛层面推动二维非范德华材料及其多铁器件发展尤为重要。

针对以上问题，研究团队提出了一条“从晶面出发”的高通量二维化设计路线，并开发了原创程序ECP（https://yjndl.github.io/）。以键密度与键合强度作为定量判据，对每一种ABO3的不同晶面进行可剥离性“评分”，筛选出最具二维潜力的候选晶面，并在第一性原理框架下自动生成、弛豫以及评估相应的单层结构。沿着这一系统流程，研究团队从大量已合成的ABO3氧化物中挖掘出35种在二维极限下稳定的单层结构。其中16种呈现反铁磁、铁磁或亚铁磁序，18种具有铁电性，8种为铁弹相，仅1种不显示铁性序。这些单层氧化物展现出接近或超越室温的Néel/Curie 温度，例如SrMoO3（315 K）、SrOsO3（300 K）、BiFeO3（280 K），自旋轨道耦合驱动下的带边自旋劈裂高达0.606 eV，并覆盖0−3.758 eV 的宽带隙范围。此外，团队还揭示了局域氧配位多面体的旋转与极化模式重构，能够诱导相态切换并引起带边能带重排，从而实现半导体与自旋极化金属之间的可逆转变，以及对100%自旋极化载流子的开关调控。该研究不仅提出了可推广至任意非范德华材料体系的通用二维化设计范式——从晶面判据、剥离能筛选到相变驱动的多铁与自旋特性调控——同时构建了一个适用于二维极限下铁性电子材料/器件设计的方法工具箱，为未来二维多铁器件的理论探索与实验研究提供了重要支撑。相关研究成果近期发表于npj Computational Materials（2025，DOI: 10.1038/s41524-025-01867-0）。

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41524-025-01867-0

该工作得到了国家/广东省/深圳市自然科学基金，深圳市孔雀团队以及深圳大学2035计划项目的支持。