从关联反铁磁二维 CrSe2 中发现新型高居里温度半金属二维 Cr2Se3 单层

为什么微小的磁性薄片很重要

设想用电子自旋的方向而不是电荷来存储信息，从而使设备更小、更高效。为了实现这种未来，工程师需要在室温及以上仍然稳定工作的超薄磁体。本研究通过计算机模拟展示了已知的二维材料硒化铬如何被转变为一种称为 Cr2Se3 的新磁性单层，它表现为单自旋导体并能在极高温度下保持磁性。

从已知晶体到新的磁性行为

工作以 CrSe2 单层为出发点——由铬和硒原子按蜂巢状排列构成的仅一原子厚的夹心结构。该单层可以呈现两种结构形态，称为 1H 和 1T，二者在原子堆叠方式上有所不同。作者考察了这些片中电子自旋的排列，发现两种结构都倾向于反铁磁序，即相邻自旋方向相反、总体磁矩相互抵消。他们采用先进的电子结构方法测试铬 d 电子之间的不同相互作用强度，显示在适当地处理电子—电子相互作用时，1T 结构成为更稳定的形式。

电子拥挤如何塑造磁性

为了解为何 1T 片更受青睐，作者将材料的总能量分解为跟踪铬 d 轨道占据情况以及自旋与轨道排列强度的部分。在 1T 情形中，每个铬原子周围的三个低能量电子能级各自保持不同形状，这促使电子更局域化并使自旋有序更有效。此种情形增强了反铁磁相互作用，推动 1T 排列比 1H 更稳。对热扰动下自旋动力学的模拟表明，1T 片的反铁磁序可持续到约 310 开尔文，略高于常温，而 1H 片的有序温度约为 274 开尔文。

将反铁磁体转变为强铁磁体

研究的核心步骤是有意以规则模式移除 CrSe2 中的一些硒原子，形成所谓的线缺陷，留下铬含量更高的薄片，总体化学式为 Cr2Se3。根据起始单层是 1H 还是 1T，这种重构产生两种相关的形式，称为 Cr2Se3 的 H 相和 T 相。两者均被发现无论独立存在还是置于六方氮化硼支撑上（实验中常用的不反应性基底）都具有结构稳定性。不像原始的 CrSe2，这些新的 Cr2Se3 单层呈现铁磁性：其自旋沿同一方向排列，产生净磁矩。更为引人注目的是它们是半金属——一种自旋类型的电子可自由移动，而另一种自旋的电子则具有较大的能隙。

为何新薄片在高温下仍保持磁性

模拟显示，在 Cr2Se3 中铬上的低能量电子能级非常靠近，使其中一些能级仅部分被填充。这种能级排列允许电子在填充与未填充态之间跳跃，从而强烈偏好铁磁对齐。在 H 相中，费米能附近的电子能带相当宽，提供许多移动载流子，通过一种游离载流子或类似斯托纳（Stoner）机制的方式支持磁性。在 T 相中，磁性更为局域化，可用海森堡（Heisenberg）模型更好地描述，但通过轻微拉伸该薄片可以将其推向更具游离性行为。在两种情形下，基于计算出的交换强度的蒙特卡罗模拟预测 H 相的居里温度约为 547 开尔文，T 相约为 606 开尔文，远高于室温。

这对未来基于自旋的器件意味着什么

简而言之，作者展示了通过有控制地移除二维晶体中的原子行，可以从非磁性或反铁磁的二维晶体创造出一种新的单层材料，该材料只导电于一种自旋并在远高于日常电子设备温度下保持强磁性。预测的 Cr2Se3 单层兼具高热稳定性、与常见绝缘支撑的兼容性以及自旋选择性导电性，使其成为用于超薄存储、逻辑和传感元件（以自旋而非电荷编码信息）的有吸引力的构建模块。

引用: Badawy, K., Zheng, L. & Singh, N. Discovery of a novel half metallic 2D Cr₂Se₃ monolayer with high Curie temperature from correlated antiferromagnetic 2D CrSe₂. npj Comput Mater 12, 177 (2026). https://doi.org/10.1038/s41524-026-02029-6

关键词: 二维磁体, 硒化铬, 半金属, 自旋电子学, 居里温度