中國科大理論預(yù)言首類結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的單層二維鐵電材料

　　近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家實(shí)驗(yàn)室國際功能材料量子設(shè)計(jì)中心及物理系朱文光研究組與校內(nèi)外同行合作，通過理論計(jì)算預(yù)言了首類同時(shí)具有面內(nèi)和面外極化且單層穩(wěn)定的二維鐵電材料。該研究成果以Prediction of intrinsic two-dimensional ferroelectrics in In2Se3 and other III2-VI3 van der Waals materials 為題，于4月7日發(fā)表在《自然-通訊》[Nature Communications 8, 14956 (2017)]雜志上，論文共同第一作者為博士生丁文雋、朱健保、王喆。

　　作為具有自發(fā)電極化且其極化方向可通過外電場(chǎng)反轉(zhuǎn)的體系，鐵電材料在信息存儲(chǔ)、場(chǎng)效應(yīng)器件、感應(yīng)器件等諸多方面具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。對(duì)傳統(tǒng)鐵電材料的研究主要集中在以鈣鈦礦氧化物為代表的材料體系。然而，當(dāng)將這類鐵電材料通過表面外延生長技術(shù)制成薄膜時(shí)，由于退極化場(chǎng)的作用，其鐵電性在某一臨界厚度下多會(huì)消失。范德華類層狀二維體系是近年來材料研究的熱點(diǎn)之一。自2004年首次實(shí)驗(yàn)成功得到單層石墨烯以來，目前已有上百種新的二維材料被發(fā)現(xiàn)并在實(shí)驗(yàn)上合成，它們展現(xiàn)出十分豐富的物理與化學(xué)性質(zhì)，為未來器件的進(jìn)一步微小化和柔性化提供了新的機(jī)遇和材料基礎(chǔ)。意外的是，在目前所有已知的二維材料中，尚欠缺具有垂直于二維面鐵電極化且單層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的鐵電材料。究其原因，是形成垂直方向電極化所需的對(duì)稱性破缺與材料的穩(wěn)定性存在內(nèi)稟矛盾。因此，在范德華類二維材料體系中尋找具有垂直方向電極化且單層穩(wěn)定的二維鐵電材料是一個(gè)具有相當(dāng)挑戰(zhàn)性的科學(xué)難題。

　　針對(duì)這一挑戰(zhàn)，該團(tuán)隊(duì)利用第一性原理計(jì)算方法，發(fā)現(xiàn)已在自然界存在的層狀材料In2Se3的單層即為一種同時(shí)具有面內(nèi)和面外極化的穩(wěn)定二維鐵電材料。對(duì)于該材料的結(jié)構(gòu)，以往的實(shí)驗(yàn)研究已表明它的室溫相具有類似于石墨的層狀結(jié)構(gòu)，其中每五個(gè)原子層通過共價(jià)鍵組成穩(wěn)定的二維單元，不同單元之間通過弱的范德華相互作用相結(jié)合，因此該材料可以被剝離成很薄甚至單層的二維薄膜，但以往的研究對(duì)其單個(gè)二維單元內(nèi)原子的堆積結(jié)構(gòu)并不確定。該研究首先確定了單個(gè)二維單元的最穩(wěn)定結(jié)構(gòu)（如圖所示），并發(fā)現(xiàn)由于其原子層在垂直于二維面方向分布的不對(duì)稱性，使其產(chǎn)生一個(gè)垂直于二維面的面外自發(fā)電極化，且其極化的方向可以通過靈巧的多原子協(xié)同運(yùn)動(dòng)進(jìn)行反轉(zhuǎn)。進(jìn)一步的計(jì)算表明，面外方向電極化的反轉(zhuǎn)所需要跨越的能量勢(shì)壘與常規(guī)鈣鈦礦鐵電材料相近，并且可以通過施加一個(gè)垂直方向的外電場(chǎng)進(jìn)一步降低相應(yīng)的能量勢(shì)壘、打破原本能量簡并的兩個(gè)極化方向的平衡，驅(qū)動(dòng)體系向某一極化方向轉(zhuǎn)變。此外，由于該穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的單層在面內(nèi)不具有中心反演對(duì)稱性，導(dǎo)致其同時(shí)存在面內(nèi)方向的自發(fā)鐵電極化，并且其極化的方向與面外極化的方向相互關(guān)聯(lián)，以此有望實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)與極化方向的交叉耦合調(diào)控。在此發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步預(yù)言由與In2Se3同族元素組合而成的化合物，如果可以形成類似的層狀結(jié)構(gòu)，其鐵電相也將同樣成為穩(wěn)定的基態(tài)結(jié)構(gòu)。

　　此類二維鐵電材料的發(fā)現(xiàn)有效拓展了二維材料家族的功能性，特別是為調(diào)控由多種二維材料組成的多層范德華二維異質(zhì)結(jié)體系的物性提供了新的空間。該研究也通過構(gòu)建二維鐵電材料與其它二維材料組成的雙層異質(zhì)結(jié)初步展示了其調(diào)控能力。如在In2Se3 與WSe2 構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)中，通過外電場(chǎng)對(duì)In2Se3電極化方向的反轉(zhuǎn)，可以實(shí)現(xiàn)體系從半導(dǎo)體性到近似金屬性的轉(zhuǎn)變（如圖所示）；在In2Se3 與石墨烯構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)中，通過In2Se3電極化方向的反轉(zhuǎn)，可以改變界面間所形成的肖特基勢(shì)壘的高度。該類新型材料更多的潛在應(yīng)用有待于進(jìn)一步探索與研究。

　　此項(xiàng)研究得到了國家千人計(jì)劃、國家自然基金委、科技部、中科院和教育部的資助。

中國科大理論預(yù)言首類結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的單層二維鐵電材料