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根据Mermin-Wagner理论，有限温度下的二维体系中的热扰动会抑制长程磁有序。然而近期实验研究陆续发现了几种在有限温度下仍具有铁磁性的二维材料如CrI3、Cr2Ge2Te6、Fe3GeTe2和Fe4GeTe2，等，引起了广泛关注。二维铁磁材料具有一些奇异的物理性质，并具有很大的潜力可作为功能器件，比如2维自旋电子器件。但是目前已合成的二维铁磁材料并不多，且居里温度都很低。找到具有高居里温度的二维铁磁材料具有一定挑战性。采用高通量计算来筛选材料数据库来寻找和设计新型目标材料是一种高效且可靠的方法。
来自中国科学技术大学的何力新教授团队，搜集了文献和数据库中大量的二维材料，并通过高通量计算寻找二维铁磁材料。他们采用基于第一性原理的线性响应理论计算了磁交换作用，并通过蒙特卡洛模拟计算材料的磁性相图和居里温度，最终确认了79个二维铁磁材料，其中Co2F2具有541开尔文的居里温度，远高于室温。为了研究居里温度与材料结构的关系，作者对这些二维材料进行了聚类分析，得到了结构相似的11个结构原型，并且借助压缩感知分析方法得到了二维磁性材料居里温度与结构参数的经验估值公式。该研究表明较小的磁性原子间距、较大的局域磁矩和更多的近邻磁性原子（如具有多层磁性原子结构）会使2DFM材料拥有更高的居里温度。
图1 仅保留磁性原子的二维铁磁材料结构原型
图2 CrI3、Co2F2、Fe3GeTe2和Fe4GeTe2结构中磁性原子的配位特征函数（ccfij(r)）和他们的积分（Pij(r)）。
High-throughput computation and structure prototype analysis for two-dimensional ferromagnetic materials
Zhen-Xiong Shen, Chuanxun Su & Lixin He
We perform high-throughput first-principles computations to search the high Curie temperature (TC) two-dimensional ferromagnetic (2DFM) materials. We identify 79 2DFM materials and calculate their TC, in which Co2F2 has the highest TC = 541 K, well above the room temperature. The 79 2DFM materials are classified into different structural prototypes according to their structural similarity. We perform sure independence screening and sparsifying operator (SISSO) analysis to explore the relation between TC and the material structures. The results suggest that the 2DFM materials with shorter distance between the magnetic atoms, larger local magnetic moments and more neighboring magnetic atoms are more likely to have higher TC.
图3 通过压缩感知方法预估的居里温度与第一性原理方法计算的居里温度对