二维M2X2Y6中的本征无标度铁电性
2021年11月23日
铁电材料是一类具有自发电极化，且电极化在外电场下可以翻转的一类材料，在各类功能器件中有着广泛的应用。近年来，二维铁电材由于其极薄的厚度、特殊的物性（如干净的界面、半导体性等），使其在铁电功能器件的应用上具有独特的优势，成为了铁电材料领域的研究热点。通过理论计算理解二维铁电材料结构形成的机制、发现具有新结构的二维铁电材料、发掘新的二维铁电相关物性，可为新型二维铁电材料的合成及相关功能器件的设计提供思路。
近日，中国科学院物理研究所杜世萱研究员团队通过利用第一性原理计算，研究了一类新型二维铁电材料M2Ge2Y6（M为金属，Y为S, Se, Te）的铁电形成机制，M2Ge2Y6的铁电性来源于虚频声子导致的Ge-dimer沿面外方向的移动，且具有两种可能的中心对称相，导致M2Ge2Y6存在两种可能的铁电翻转路径。进一步的研究表明二维铁电M2Ge2Y6存在本征无标度（Scale-free）铁电性，即每个原胞中的铁电极化可以独立进行翻转。同时，金属电极接触及多层堆垛不会破坏M2Ge2Y6的铁电性，使得该类二维铁电M2Ge2Y6在高密度存储器件上有潜在的应用价值。进一步利用高通量计算筛选出了16种二维铁电M2Ge2Y6和65种潜在的二维铁电M2Sn2Y6。该工作为新型二维铁电材料及相关物性的发现提供了策略，并且为相关功能器件的设计提供了有价值的参考。该工作中金鑫和陶蕾为共同一作，潘金波副研究员与杜世萱研究员为共同联系作者。
（1）单层M2Ge2Y6的铁电结构形成机制及两种可能的中心对称相
以Hf2Ge2Y6 (Y=S, Se, Te)为例阐述M2Ge2Y6中的铁电结构形成机制。中心对称相Hf2Ge2Y6声子谱存在虚频，虚频在Γ点处的振动模式将导致Ge-dimer沿z方向垂直向上运动，引发Hf2Ge2Y6中心对称相到铁电相的结构相变。进一步通过激发铁电相Hf2Ge2Y6声子谱平带（图1中蓝线所示）对应的振动模式，将导致Hf2Ge2Y6的两个Ge原子彼此分离，形成图1(c)所示的第二种中心对称相（centrosymmetric-II, C2）。C2相结构也是中心对称的，且动力学稳定（如图1(f)声子谱所示），但其能量高于铁电相结构能量，是Hf2Ge2Y6的一个亚稳结构。
图1. 单层Hf2Ge2Y6 (Y=S, Se, Te)的原子结构、声子谱及声子振动模式。
（2）单层Hf2Ge2Y6的两种可能的铁电翻转路径及无标度铁电性
考虑到Hf2Ge2Y6存在两种可能的中心对称相，Hf2Ge2Y6可能的铁电翻转路径也有两种。第一种路径（path-1）为两个Ge原子同时沿z方向从上到下竖直移动，使单层Hf2Ge2Y6由极化向上态转变为极化向下态，具体过程如图2(b)所示。第二种路径（path-2）为从极化向上态出发，上侧Ge原子保持不动而下侧Ge原子沿z方向向下移动，使Hf2Ge2Y6由极化向上态转变为C2态；随即Hf2Ge2Y6由C2态转变为极化向下态，由此完成极化翻转，具体如图2(d)所示。两种路径的翻转势垒具体如图2(a), (c)所示。该工作进一步考察了铁电Hf2Ge2Y6由均匀极化向上态↑↑↑↑翻转为均匀极化向下态↓↓↓↓这一过程的翻转势垒，在该过程中，每次仅翻转一个原胞内的铁电极化方向，如图2(e)所示。计算结果表明，Hf2Ge2Y6相邻原胞内的极化可独立翻转，彼此互不影响。这一特性被称为“无标度铁电”。这一特性使得Hf2Ge2Y6的最小存储单元尺寸可缩减为原胞大小，使其在高密度存储器件上有潜在应用。
图2. 单层Hf2Ge2Y6 (Y=S, Se, Te)的铁电翻转路径。
（3）电极接触和多层堆垛对Hf2Ge2Y6铁电性的影响
铁电材料实际应用的另一个重要前提是在与金属电极接触后依旧具有铁电极化。该工作构造了石墨烯/Hf2Ge2Y6/石墨烯异质结，其中石墨烯用来模拟金属电极。结构优化后异质结中Hf2Ge2Y6仍然保持非中心对称结构，说明电极接触对Hf2Ge2Y6的铁电性无明显影响，如图3(a)-(c)。进一步研究表明，堆垛至三层的Hf2Ge2Y6也同样保持了非中心对称结构，如图3(e)所示，说明堆垛对其铁电性亦无明显影响。
图3. 单层铁电Hf2Ge2Y6 (Y=S, Se, Te)与石墨烯接触后的构型，以及三层Hf2Ge2Y6的可能堆垛方式。
（4）单层铁电M2X2Y6的高通量筛选。
鉴于Hf2Ge2Y6的优良物性，该工作进一步通过高通量计算筛选更多单层铁电M2X2Y6（M为金属，X为Si, Ge, Sn, Y为S, Se, Te）。筛选后共发现了16种单层铁电M2Ge2Y6和65种潜在的单层铁电Hf2Sn2Y6。
图4. 二维铁电M2X2Y6(M为金属，X为Si, Ge, Sn，Y为S, Se, Te)的高通量筛选结果。
相关工作被Nano Research接收发表。该研究受到科技部（2016YFA0202300），国家自然科学基金委（61888102），中国科学院（XDB30000000）等项目的资助。
文章链接：
http://doi.org/10.1007/s12274-021-3919-5
铁电材料是一类具有自发电极化，且电极化在外电场下可以翻转的一类材料，在各类功能器件中有着广泛的应用。近年来，二维铁电材由于其极薄的厚度、特殊的物性（如干净的界面、半导体性等），使其在铁电功能器件的应用上具有独特的优势，成为了铁电材料领域的研究热点。通过理论计算理解二维铁电材料结构形成的机制、发现具有新结构的二维铁电材料、发掘新的二维铁电相关物性，可为新型二维铁电材料的合成及相关功能器件的设计提供思路。
近日，中国科学院物理研究所杜世萱研究员团队通过利用第一性原理计算，研究了一类新型二维铁电材料M2Ge2Y6（M为金属，Y为S, Se, Te）的铁电形成机制，M2Ge2Y6的铁电性来源于虚频声子导致的Ge-dimer沿面外方向的移动，且具有两种可能的中心对称相，导致M2Ge2Y6存在两种可能的铁电翻转路径。进一步的研究表明二维铁电M2Ge2Y6存在本征无标度（Scale-free）铁电性，即每个原胞中的铁电极化可以独立进行翻转。同时，金属电极接触及多层堆垛不会破坏M2Ge2Y6的铁电性，使得该类二维铁电M2Ge2Y6在高密度存储器件上有潜在的应用价值。进一步利用高通量计算筛选出了16种二维铁电M2Ge2Y6和65种潜在的二维铁电M2Sn2Y6。该工作为新型二维铁电材料及相关物性的发现提供了策略，并且为相关功能器件的设计提供了有价值的参考。该工作中金鑫和陶蕾为共同一作，潘金波副研究员与杜世萱研究员为共同联系作者。
（1）单层M2Ge2Y6的铁电结构形成机制及两种可能的中心对称相
以Hf2Ge2Y6 (Y=S, Se, Te)为例阐述M2Ge2Y6中的铁电结构形成机制。中心对称相Hf2Ge2Y6声子谱存在虚频，虚频在Γ点处的振动模式将导致Ge-dimer沿z方向垂直向上运动，引发Hf2Ge2Y6中心对称相到铁电相的结构相变。进一步通过激发铁电相Hf2Ge2Y6声子谱平带（图1中蓝线所示）对应的振动模式，将导致Hf2Ge2Y6的两个Ge原子彼此分离，形成图1(c)所示的第二种中心对称相（centrosymmetric-II, C2）。C2相结构也是中心对称的，且动力学稳定（如图1(f)声子谱所示），但其能量高于铁电相结构能量，是Hf2Ge2Y6的一个亚稳结构。
图1. 单层Hf2Ge2Y6 (Y=S, Se, Te)的原子结构、声子谱及声子振动模式。
考虑到Hf2Ge2Y6存在两种可能的中心对称相，Hf2Ge2Y6可能的铁电翻转路径也有两种。第一种路径（path-1）为两个Ge原子同时沿z方向从上到下竖直移动，使单层Hf2Ge2Y6由极化向上态转变为极化向下态，具体过程如图2(b)所示。第二种路径（path-2）为从极化向上态出发，上侧Ge原子保持不动而下侧Ge原子沿z方向向下移动，使Hf2Ge2Y6由极化向上态转变为C2态；随即Hf2Ge2Y6由C2态转变为极化向下态，由此完成极化翻转，具体如图2(d)所示。两种路径的翻转势垒具体如图2(a), (c)所示。该工作进一步考察了铁电Hf2Ge2Y6由均匀极化向上态↑↑↑↑翻转为均匀极化向下态↓↓↓↓这一过程的翻转势垒，在该过程中，每次仅翻转一个原胞内的铁电极化方向，如图2(e)所示。计算结果表明，Hf2Ge2Y6相邻原胞内的极化可独立翻转，彼此互不影响。这一特性被称为“无标度铁电”。这一特性使得Hf2Ge2Y6的最小存储单元尺寸可缩减为原胞大小，使其在高密度存储器件上有潜在应用。
图2. 单层Hf2Ge2Y6 (Y=S, Se, Te)的铁电翻转路径。
铁电材料实际应用的另一个重要前提是在与金属电极接触后依旧具有铁电极化。该工作构造了石墨烯/Hf2Ge2Y6/石墨烯异质结，其中石墨烯用来模拟金属电极。结构优化后异质结中Hf2Ge2Y6仍然保持非中心对称结构，说明电极接触对Hf2Ge2Y6的铁电性无明显影响，如图3(a)-(c)。进一步研究表明，堆垛至三层的Hf2Ge2Y6也同样保持了非中心对称结构，如图3(e)所示，说明堆垛对其铁电性亦无明显影响。
图3. 单层铁电Hf2Ge2Y6 (Y=S, Se, Te)与石墨烯接触后的构型，以及三层Hf2Ge2Y6的可能堆垛方式。
鉴于Hf2Ge2Y6的优良物性，该工作进一步通过高通量计算筛选更多单层铁电M2X2Y6（M为金属，X为Si, Ge, Sn, Y为S, Se, Te）。筛选后共发现了16种单层铁电M2Ge2Y6和65种潜在的单层铁电Hf2Sn2Y6。
图4. 二维铁电M2X2Y6(M为金属，X为Si, Ge, Sn，Y为S, Se, Te)的高通量筛选结果。
文章链接：
http://doi.org/10.1007/s12274-021-3919-5