2D Mater.：二维单层多铁性材料

【引言】

低维多铁性材料在小型化装置中的应用具有很大的潜力，例如纳米换能器、传感器、制动器、太阳能光伏、非易失性存储器等，但是现实中完美的多铁材料尤其是低维多铁材料非常罕见，主要原因是，材料若想具有两个或多个耦合铁序共存就需要严格的对称性和化学条件，并且在室温条件下的实际应用需要材料有良好的热力学稳定性。

【成果简介】

近日，来自美国德克萨斯农业机械大学的助理教授Xiaofeng Qian（通讯作者）等人，应用第一性原理的密度泛函理论计算单层第四族的单硫族化合物（MX）包括GeS、GeSe、SnS和SnSe的原子和电子结构，预测出MX是一类具有半导体特性的多铁性材料。

二维单层铁弹电半导体所具有的高度的各向异性、强耦合性和物理性质可调控性使其可以产生各种各样的超薄的机械-光-电应用。弹性应变、电场和光场的应用可以有效转换多铁电体的状态，改变它们电、光以及力学响应，因此可以设计四种概念包括二维铁电存储，二维铁弹存储、二维铁弹电存储和二维光伏。

这项工作研究了二维单层第四族的单硫族化合物（MX）的电学、光学、铁电畴壁能、铁弹性和铁电性等特性。研究表明二维单层MX是一类在平面内具有很大的自发极化、自发晶格应变和小的铁电畴壁能的多铁性材料，是固体铁电材料和薄膜铁电材料的重要补充。

[致歉：很抱歉，未能找到通讯作者Xiaofeng Qian的确切中文名字，小编表示诚挚的歉意！]

【图文导读】

图1 第四族单硫族化合物（MX）的结构和它们的铁弹序、铁电序

（a）独立的MX单层透视图，以GeSe为例。

（b）和（c）两种铁电体，沿着x轴方向具有相反的自发极化：-Px和+Px。

（d）和（e）两种铁电体，沿着y轴方向具有相反的自发极化：-Py和+Py。

（b）~ （e）两种铁弹体，相对于中心对称的顺弹相结构，沿着x和y方向有自发应变，对应转换的应变矩阵用ŋ _x和 ŋ _y表示。

图2 单层GeSe中的铁弹序和自发应变

（a）对应不同晶格参数a和b的单层GeSe铁电基态总能量。绿实线：铁电相与顺电相的相界线。红虚线：两种分别沿着x和y有自发应变的铁弹电相的相界线，铁电极化会分别沿着+x/−x和+y/−y。两个紫色的点代表在没有压力下铁弹电的基态，而黄色的点代表在沿着x和y的单向拉伸下相应的晶格参数，相对于铁电基态能量（紫色的点），等高线代表的是晶胞的能量。

（b）铁弹相变最小能量路径，（b）中灰色的点对应着（a）中白色的点。

图3 单层GeSe中的铁电序、自发极化和弹性应变效应

（a）在固定的基态晶格参数下，Se原子沿x和y以百分数为单位进行转移的势能面。绿线：铁电相变的运动诱发电位。红线：计算极化的绝热路经 。两个黑点：退化的铁电体基态。

（b）GeSe沿着绝热路径的双阱势。

（c）计算出的总极化是标准位移的函数，中心对称的顺电相（0%位移）是在中间，两个铁电基态在两端，Pq代表极化量。

（d）单轴向应变在总能量和总的自发极化中的影响。

（e）铁电GeSe单层的自发极化与单轴向应变的函数关系。

（f）在没有经历顺电相的限制下，铁电相变的最低能量势垒与单轴向应变的函数关系。

图4 单层MX中的铁电畴壁

（a）180°畴壁下基态原子的结构，蓝色和紫色的箭头分别代表畴壁左右两边的极化方向。

（b）畴壁运动在最开始、中间、最终结构的诱发运动电位，用数字1到9标注。（c）每个Ge-S对沿着x方向的相对位移，绿色线条到红色线条分别对应（b）图中的#1到#9。

（d）有180°铁电畴壁的单层GeS超晶胞的能带结构，颜色代表畴壁周围电子态的相对位置。

（e）从顶部和侧面看导带底的 Kohn-Sham波函数，紫色和绿色的等值面分别代表波函数的正面和负面影响。

图5 铁电单层MX中的电子结构

（a）原始单层GeSe的能带结构。

（b）沿着x（红色）和y（蓝色）方向虚拟的介电函数，在能带结构（a）中的两个箭头代表准粒子的能隙，与虚构的介电函数图（b）中激子峰相对应。

（c）单层GeSe的吸收度。

图6 基于二维单层MX的设备概念

图6为机械-光-电设备的概念及其机制。其中，

（a）二维铁电体存储器。

（b）二维铁弹体存储器。

（c）二维铁弹电体非易失性的光子存储器。

（d）二维光伏。

【小结】

二维单层MX多铁材料在平面内具有很大的自发铁电极化和自发铁弹性晶格应变，是固体/薄膜铁电材料的重要补充，其铁序在室温下热力学稳定，并可以通过弹性变形对其铁电极化和相变势垒进行控制，此外强耦合的铁电序、铁弹序，以及与偏振相关的激子的吸收，可见光吸收谱中的光致发光等性质使二维材料在机械-光-电转换材料中的应用具有非常大的潜力。目前的发现将为二维多铁材料小型化低功耗的光电子和光子应用开辟新的道路。

文献链接：Two-dimensional multiferroics in monolayer group IV monochalcogenides（2D Mater., 2017, DOI: 10.1088/2053-1583/4/1/015042）

本文由材料人电子电工学术组灵琦供稿，材料牛整理编辑。

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