中科大 朱文光团队 Nat. Commun.: 预测In2Se3和其他III2-VI3范德瓦尔斯材料中的固有二维铁电体

【引言】

         近年来，人们对二维（2D）范德瓦尔斯材料在多个科学和工程领域的研究迅速增长。然而，具有重要实际应用的自发电极化现象—铁电性，迄今在此类材料中却鲜有报道。其中，铁电性是与自发电极化相关的材料特性，在场效应晶体管和传感器等方面具有广泛的应用。但是之前对铁电材料的研究主要集中在像ABO₃钙钛矿化合物等复合氧化物上。目前，人们已经发现了大量的2D范德瓦尔斯材料，且其表现出丰富多样的物理性质。这些发现为在最终单层体系中实现铁电性提供新的和替代的机会，特别是与垂直于薄膜方向技术最相关的极化率。虽然人们已经预测到2D铁电体的存在，但是由于表面能、去极化静电场和电子屏蔽等因素的影响，导致实际材料在薄膜厚度小于临界值时，铁电性就会消失。通常电极化的出现需要在极化方向上打破结构中心对称，但是在所有已知2D材料的初始结构在平面外轴上的原子位置的投影是完全中心对称的，不可能出现平面外极化。

【成果简介】

         近日，中国科学与技术大学的朱文光教授（通讯作者）团队报道了一类基于以III₂-VI₃形式的III-VI化合物的稳定单层2D铁电材料。作者利用第一原理密度泛函理论（DFT）计算，揭示了基于In₂Se₃和其他III₂-VI₃范德瓦尔斯材料在平面外和平面内都表现出具有可逆自发电极化的铁电性。此外，作者还利用In₂Se₃/石墨烯的范德瓦尔斯异质结构（具有可调谐的肖特基势垒）和In₂Se₃/WSe₂的例子进一步证明了这些2D铁电材料的器件电位，这两种异质结构在复合体系中显示出显著的带隙减小。这些重要的发现可以在很大程度上拓宽范德瓦尔斯异质结构的可调谐性，使之广泛被应用。研究成果以题为“Prediction of intrinsic two-dimensional ferroelectrics in In₂Se₃ and other III₂-VI₃ van der Waals materials”发布在国际著名期刊Nat. Commun.上。

【图文导读】

图一、In₂Se₃的层状结构
（a） 层状In₂Se₃的三维晶体结构，其中In原子为蓝色，Se原子为红色，一个五层（QL）由黑色虚线方块表示；

（b） 沿垂直方向的俯视图；

（c-h）1个QL In₂Se₃的几个代表性结构的侧视图，其中c-e结构分别来自闪锌矿、纤锌矿和fcc晶体。

图二、极化反转过程中的动力学途径
（a） FE-ZB'相中1个五层（QL）In₂Se₃的总能量（y轴）的演变从电极化指向下（左）的状态转变为电极化指向上的状态（ 右）通过直接移位过程：中心层的Se原子横向从B位置移位到C位置；

（b） 在FE-ZB'阶段中反转1个QL In₂Se₃的电极化方向的最有效动力学路径的能量分布涉及三步协调机制。

图三、外部电场的影响
通过如图所示的协同运动，在1个五层In₂Se₃的电极化反转过程中计算出的激活势垒（黑色圆圈）和初始状态（插图）之间的能量差（灰色方块），绘制为分别在面外方向（a）和面内[110]方向（b）上施加的外部电场的函数。

图四、畴壁运动的动力学途径
包含四个可能的畴壁结构的初始状态在FE-ZB'相中具有相反电极化的1个五层In₂Se₃的两个铁电性之间显示在（a）、（b）（在底部中心）、能量分布、最终状态（ 在左下方和右下方）以及与畴壁运动有关的动力学路径的过渡状态（在顶部）。

图五、基于In₂Se₃的异质结构的电子结构
（a）FE-ZB'相中的1个五层（QL）铁电In2Se3的电子能带结构（由HSE06计算）；

（b-e）在一个QL FE-ZB' In₂Se₃/石墨烯异质结构的界面处证明可调谐肖特基势垒；

（f-i）证明在一个QL FE-ZB' In₂Se₃/WSe₂异质结构中显着的带隙减少。

【小结】

        综上所述，在这项研究中，作者发现了一类以III₂-VI₃化合物为基础的稳定的单层范德瓦尔斯2D铁电材料。它们具有固有的面外和面内电极化，在适度的平面外或平面内电场的帮助下可以通过易于获得的动力学途径进行逆转。从更大的范围来说，这些发现为2D材料添加了一个重要的分支。预期这些材料与其他类别的2D材料的适当集成将大大拓宽范德华异质结构的可调性和器件潜力。

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

本文由材料人CQR编译。

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