中科大 朱文光團隊 Nat. Commun.: 預測In2Se3和其他III2-VI3范德瓦爾斯材料中的固有二維鐵電體

【引言】

? ? ? ? ?近年來，人們對二維（2D）范德瓦爾斯材料在多個科學和工程領域的研究迅速增長。然而，具有重要實際應用的自發電極化現象—鐵電性，迄今在此類材料中卻鮮有報道。其中，鐵電性是與自發電極化相關的材料特性，在場效應晶體管和傳感器等方面具有廣泛的應用。但是之前對鐵電材料的研究主要集中在像ABO₃鈣鈦礦化合物等復合氧化物上。目前，人們已經發現了大量的2D范德瓦爾斯材料，且其表現出豐富多樣的物理性質。這些發現為在最終單層體系中實現鐵電性提供新的和替代的機會，特別是與垂直于薄膜方向技術最相關的極化率。雖然人們已經預測到2D鐵電體的存在，但是由于表面能、去極化靜電場和電子屏蔽等因素的影響，導致實際材料在薄膜厚度小于臨界值時，鐵電性就會消失。通常電極化的出現需要在極化方向上打破結構中心對稱，但是在所有已知2D材料的初始結構在平面外軸上的原子位置的投影是完全中心對稱的，不可能出現平面外極化。

【成果簡介】

? ? ? ? ?近日，中國科學與技術大學的朱文光教授（通訊作者）團隊報道了一類基于以III₂-VI₃形式的III-VI化合物的穩定單層2D鐵電材料。作者利用第一原理密度泛函理論（DFT）計算，揭示了基于In₂Se₃和其他III₂-VI₃范德瓦爾斯材料在平面外和平面內都表現出具有可逆自發電極化的鐵電性。此外，作者還利用In₂Se₃/石墨烯的范德瓦爾斯異質結構（具有可調諧的肖特基勢壘）和In₂Se₃/WSe₂的例子進一步證明了這些2D鐵電材料的器件電位，這兩種異質結構在復合體系中顯示出顯著的帶隙減小。這些重要的發現可以在很大程度上拓寬范德瓦爾斯異質結構的可調諧性，使之廣泛被應用。研究成果以題為“Prediction of intrinsic two-dimensional ferroelectrics in In₂Se₃ and other III₂-VI₃ van der Waals materials”發布在國際著名期刊Nat. Commun.上。

【圖文導讀】

圖一、In₂Se₃的層狀結構
（a） 層狀In₂Se₃的三維晶體結構，其中In原子為藍色，Se原子為紅色，一個五層（QL）由黑色虛線方塊表示；

（b） 沿垂直方向的俯視圖；

（c-h）1個QL In₂Se₃的幾個代表性結構的側視圖，其中c-e結構分別來自閃鋅礦、纖鋅礦和fcc晶體。

圖二、極化反轉過程中的動力學途徑
（a） FE-ZB'相中1個五層（QL）In₂Se₃的總能量（y軸）的演變從電極化指向下（左）的狀態轉變為電極化指向上的狀態（ 右）通過直接移位過程：中心層的Se原子橫向從B位置移位到C位置；

（b） 在FE-ZB'階段中反轉1個QL In₂Se₃的電極化方向的最有效動力學路徑的能量分布涉及三步協調機制。

圖三、外部電場的影響
通過如圖所示的協同運動，在1個五層In₂Se₃的電極化反轉過程中計算出的激活勢壘（黑色圓圈）和初始狀態（插圖）之間的能量差（灰色方塊），繪制為分別在面外方向（a）和面內[110]方向（b）上施加的外部電場的函數。

圖四、疇壁運動的動力學途徑
包含四個可能的疇壁結構的初始狀態在FE-ZB'相中具有相反電極化的1個五層In₂Se₃的兩個鐵電性之間顯示在（a）、（b）（在底部中心）、能量分布、最終狀態（ 在左下方和右下方）以及與疇壁運動有關的動力學路徑的過渡狀態（在頂部）。

圖五、基于In₂Se₃的異質結構的電子結構
（a）FE-ZB'相中的1個五層（QL）鐵電In2Se3的電子能帶結構（由HSE06計算）；

（b-e）在一個QL FE-ZB' In₂Se₃/石墨烯異質結構的界面處證明可調諧肖特基勢壘；

（f-i）證明在一個QL FE-ZB' In₂Se₃/WSe₂異質結構中顯著的帶隙減少。

【小結】

? ? ? ? 綜上所述，在這項研究中，作者發現了一類以III₂-VI₃化合物為基礎的穩定的單層范德瓦爾斯2D鐵電材料。它們具有固有的面外和面內電極化，在適度的平面外或平面內電場的幫助下可以通過易于獲得的動力學途徑進行逆轉。從更大的范圍來說，這些發現為2D材料添加了一個重要的分支。預期這些材料與其他類別的2D材料的適當集成將大大拓寬范德華異質結構的可調性和器件潛力。

文獻鏈接：Prediction of intrinsic two-dimensional ferroelectrics in In₂Se₃ and other III₂-VI₃ van der Waals materials（Nat. Commun., 2019, DOI: 10.1038/ncomms14956）

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