2D Mater.：二維單層多鐵性材料

【引言】

低維多鐵性材料在小型化裝置中的應用具有很大的潛力，例如納米換能器、傳感器、制動器、太陽能光伏、非易失性存儲器等，但是現實中完美的多鐵材料尤其是低維多鐵材料非常罕見，主要原因是，材料若想具有兩個或多個耦合鐵序共存就需要嚴格的對稱性和化學條件，并且在室溫條件下的實際應用需要材料有良好的熱力學穩定性。

【成果簡介】

近日，來自美國德克薩斯農業機械大學的助理教授Xiaofeng Qian（通訊作者）等人，應用第一性原理的密度泛函理論計算單層第四族的單硫族化合物（MX）包括GeS、GeSe、SnS和SnSe的原子和電子結構，預測出MX是一類具有半導體特性的多鐵性材料。

二維單層鐵彈電半導體所具有的高度的各向異性、強耦合性和物理性質可調控性使其可以產生各種各樣的超薄的機械-光-電應用。彈性應變、電場和光場的應用可以有效轉換多鐵電體的狀態，改變它們電、光以及力學響應，因此可以設計四種概念包括二維鐵電存儲，二維鐵彈存儲、二維鐵彈電存儲和二維光伏。

這項工作研究了二維單層第四族的單硫族化合物（MX）的電學、光學、鐵電疇壁能、鐵彈性和鐵電性等特性。研究表明二維單層MX是一類在平面內具有很大的自發極化、自發晶格應變和小的鐵電疇壁能的多鐵性材料，是固體鐵電材料和薄膜鐵電材料的重要補充。

[致歉：很抱歉，未能找到通訊作者Xiaofeng Qian的確切中文名字，小編表示誠摯的歉意！]

【圖文導讀】

圖1 第四族單硫族化合物（MX）的結構和它們的鐵彈序、鐵電序

（a）獨立的MX單層透視圖，以GeSe為例。

（b）和（c）兩種鐵電體，沿著x軸方向具有相反的自發極化：-Px和+Px。

（d）和（e）兩種鐵電體，沿著y軸方向具有相反的自發極化：-Py和+Py。

（b）~ （e）兩種鐵彈體，相對于中心對稱的順彈相結構，沿著x和y方向有自發應變，對應轉換的應變矩陣用? _x和 ? _y表示。

圖2 單層GeSe中的鐵彈序和自發應變

（a）對應不同晶格參數a和b的單層GeSe鐵電基態總能量。綠實線：鐵電相與順電相的相界線。紅虛線：兩種分別沿著x和y有自發應變的鐵彈電相的相界線，鐵電極化會分別沿著+x/?x和+y/?y。兩個紫色的點代表在沒有壓力下鐵彈電的基態，而黃色的點代表在沿著x和y的單向拉伸下相應的晶格參數，相對于鐵電基態能量（紫色的點），等高線代表的是晶胞的能量。

（b）鐵彈相變最小能量路徑，（b）中灰色的點對應著（a）中白色的點。

圖3 單層GeSe中的鐵電序、自發極化和彈性應變效應

（a）在固定的基態晶格參數下，Se原子沿x和y以百分數為單位進行轉移的勢能面。綠線：鐵電相變的運動誘發電位。紅線：計算極化的絕熱路經 。兩個黑點：退化的鐵電體基態。

（b）GeSe沿著絕熱路徑的雙阱勢。

（c）計算出的總極化是標準位移的函數，中心對稱的順電相（0%位移）是在中間，兩個鐵電基態在兩端，Pq代表極化量。

（d）單軸向應變在總能量和總的自發極化中的影響。

（e）鐵電GeSe單層的自發極化與單軸向應變的函數關系。

（f）在沒有經歷順電相的限制下，鐵電相變的最低能量勢壘與單軸向應變的函數關系。

圖4 單層MX中的鐵電疇壁

（a）180°疇壁下基態原子的結構，藍色和紫色的箭頭分別代表疇壁左右兩邊的極化方向。

（b）疇壁運動在最開始、中間、最終結構的誘發運動電位，用數字1到9標注。（c）每個Ge-S對沿著x方向的相對位移，綠色線條到紅色線條分別對應（b）圖中的#1到#9。

（d）有180°鐵電疇壁的單層GeS超晶胞的能帶結構，顏色代表疇壁周圍電子態的相對位置。

（e）從頂部和側面看導帶底的?Kohn-Sham波函數，紫色和綠色的等值面分別代表波函數的正面和負面影響。

圖5 鐵電單層MX中的電子結構

（a）原始單層GeSe的能帶結構。

（b）沿著x（紅色）和y（藍色）方向虛擬的介電函數，在能帶結構（a）中的兩個箭頭代表準粒子的能隙，與虛構的介電函數圖（b）中激子峰相對應。

（c）單層GeSe的吸收度。

圖6 基于二維單層MX的設備概念

圖6為機械-光-電設備的概念及其機制。其中，

（a）二維鐵電體存儲器。

（b）二維鐵彈體存儲器。

（c）二維鐵彈電體非易失性的光子存儲器。

（d）二維光伏。

【小結】

二維單層MX多鐵材料在平面內具有很大的自發鐵電極化和自發鐵彈性晶格應變，是固體/薄膜鐵電材料的重要補充，其鐵序在室溫下熱力學穩定，并可以通過彈性變形對其鐵電極化和相變勢壘進行控制，此外強耦合的鐵電序、鐵彈序，以及與偏振相關的激子的吸收，可見光吸收譜中的光致發光等性質使二維材料在機械-光-電轉換材料中的應用具有非常大的潛力。目前的發現將為二維多鐵材料小型化低功耗的光電子和光子應用開辟新的道路。

文獻鏈接：Two-dimensional multiferroics in monolayer group IV?monochalcogenides（2D Mater., 2017, DOI:?10.1088/2053-1583/4/1/015042）

本文由材料人電子電工學術組靈琦供稿，材料牛整理編輯。

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