【儀表網 研發快訊】近日，中國科學院合肥物質院固體所計算物理與量子材料研究部在設計具有室溫多鐵性和本征拓撲特性的金屬有機框架材料方面取得了重要進展。研究人員通過在具有d-p自旋耦合的金屬有機框架材料中引入兼具手性和極性的有機連接體，理論預言了一類呈現室溫磁性、手性鐵電性和拓撲特性的二維多功能材料，為下一代自旋電子學和信息存儲器件的發展提供了新的思路。相關結果以“Designing Chiral Organometallic Nanosheets with Room-Temperature Multiferroicity and Topological Nodes”為題發表在Nano Letters (Nano Lett., 2025, DOI: 10.1021/acs.nanolett.4c05408)上。
多鐵性和磁性拓撲材料為下一代電子信息器件的發展奠定了重要基礎，并長期受到科研人員的廣泛關注。然而，由于較低的居里溫度，大多數已預測或合成的候選材料在實際應用中受到了限制。手性作為材料的一個重要特性，在手性感知、分子識別等領域中發揮著重要作用。將手性引入多鐵性或磁性拓撲材料中不僅能增強其功能特性，還能激發新的物理現象。遺憾的是，這方面的研究仍然相對有限，特別是具備室溫磁性的二維純手性多鐵和磁性拓撲材料鮮有報道。此外，實現手性與多鐵性或拓撲特性之間的有效耦合以及調控，也是一個極具意義的挑戰。
為此，研究人員采用具有手性和極化特征的4-(3-羥基吡啶-4-基)吡啶-3-醇 (HPP) 作為有機連接體，并使用過渡金屬(TM = Cr, Mo, 和 W)作為有機節點，預測了一類呈現室溫多鐵性和拓撲節點的純手性TM(HPP)2金屬有機納米片。該體系的純手性由手性HPP有機連接體引入，結構手性的變化可以誘導體系外爾聲子的拓撲相變。該體系中的室溫磁性源于TM陽離子與二重態HPP陰離子之間的強d-p直接自旋耦合，鐵電性則是來源于晶格結構中空間反演對稱性的破缺。基于鐵電性和手性之間的耦合，體系的光吸收和聲子的拓撲性質能夠通過電場得到有效調控。值得注意的是，這類材料均屬于拓撲非平庸材料，在費米能級附近展現出二次型拓撲節點。
基于該工作，研究人員可以通過替換取代基種類、改變金屬節點類型或調整晶格種類來獲得更多不同的手性多鐵和磁性拓撲材料。上述策略不僅將手性特征引入了室溫多鐵和磁性拓撲材料中，還提供了一種設計二維多功能金屬有機材料的理論框架，為相關領域的發展提供了新的推動力。
固體所博士后趙靜為論文的第一作者，固體所李向陽副研究員、中國科學技術大學李星星教授和固體所王賢龍研究員為通訊作者。該研究得到了國家自然科學基金委、科技部、中國科學院合肥物質院院長基金等項目的資助。
圖. 具有手性、室溫磁性、鐵電性和拓撲特性的二維金屬有機框架材料示意圖。
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