物理学报 Acta Phys.Sin.Vol.67,No.15(2018)157701 CaO2层贡献浄极化,所以该铁电极化随薄膜厚 度的增加而降低。理论表明该铁电性是由A位位34其他低维铁电材料设计 移铁电模厂和两个氧八面体旋转模M与M5 如图10(b)所示)的三线性耦合形成的.对于铁电 外加应变和电场作为一种有效的调控手段,常 100S和铁电110P两种铁电机制,由于铁电性的 被用来研究和调控低维纳米材料的性质.在铁电材 存在不依赖于B位3空轨道的存在,因此这种铁中,由于压电效应的存在,应力也常常是调控极 电序可以与B位含3d磁离子的磁序共存,从而实 化的有效途径.因此,能否通过外界调控在原来非 现铁电-铁磁共存的多铁性材料,比如两层厚度的 铁电材料的低维材料中引入铁电性也是设计低维 SrVO薄膜同时具有FE-100-S型铁电和G型反铁 铁电材料的一种思路. Zhang等通过第一性原 磁,而两层厚度的 CaFe薄膜则同时具有FE-110 理计算发现二维单层PbTe基态结构具有中心反演 IP型铁电和A型反铁磁,且沿垂直方向有较弱的铁 对称性,从而限制了自发极化的存在.但当施加平 磁性 面双向拉伸应变后,结构将由高对称性P4/mmm (a) Top view le view 转变为Pmn21对称性,Pb和Te原子发生平面内相 对位移,从而在平面内产生自发极化,得到平面内 铁电性.我们课题组对磷烯纳米带在外加电场调 控下的铁电性质进行了理论研究,发现黑磷扶手椅 边纳米带中可以通过外加垂直平面电场调控实现 基于电子极化的平面内铁电性,极化的产生主要来 自外加电场下电荷的移动,并且双层磷纳米带中 的极化强度与传统的钙钛矿铁电材料相当.另 外,我们还研究了层状过渡金属卤化物体系中通过 电荷掺杂引入铁电性的可能性.本征的过渡金属 卤化物,如CrBr3,由于其高对称性(D3a)的结构而 不具有铁电性.我们的研究发现,通过掺杂Li等阳 离子在CrBr3晶格中引入奇数个电子,将在相邻的 图10(a)SnO2封端的2-单元厚度 CaSno薄膜铁电 110IP相俯视图与侧视图,绿色箭头代表极化方向; Cr-Br6格点上引发反常的非对称Jahn- Teller畸变, (b)铁电110-IP态相对于顺电态的铁电模、旋转模和倾 如图11所示.畸变同时打破了体系原本的轨道序 斜模示意图 与电荷序,从而引发面内的铁电极化.并且该体系 Fig. 10. (a) Top and side view of the 2-UC SnO2- terminated CaSno thin films with the FE 110-IP state 中的电极化与磁化具有较强的关联性,为磁电耦合 the green arrows represent the direction of polariza- 及二维多铁性材料的研究提供了新的平台 tion;(b)schematic illustration of the FE, rotation and 通常来说铁电体都是绝缘体,理论上铁电性不 tilt modes presented in the FE 110-IP state relative to he pe state [58] 能和金属性并存.但随着研究的深入,人们发现其 图11优化的单层a) CbRs和(b)CrB195-结构俯视图,其中棕色和蓝绿色小球分别代表Br和Cr原子,菱形 虚线代表初基胞 Fig. 11. Top view of the optimized CrBrs(a)and CrBr3(b)monolayer. Brown and cyan balls represent Br and Cr atoms, respectively. Dashed rhombus represents the primitive cell (6lI 157701-10物 理 学 报 Acta Phys. Sin. Vol. 67, No. 15 (2018) 157701 CaO2 层贡献净极化, 所以该铁电极化随薄膜厚 度的增加而降低. 理论表明该铁电性是由A位位 移铁电模Γ − 5 和两个氧八面体旋转模M+ 2 与M− 5 (如图 10 (b)所示)的三线性耦合形成的. 对于铁电 100-S和铁电110-IP两种铁电机制, 由于铁电性的 存在不依赖于B 位3d空轨道的存在, 因此这种铁 电序可以与B 位含3d磁离子的磁序共存, 从而实 现铁电-铁磁共存的多铁性材料, 比如两层厚度的 SrVO薄膜同时具有FE-100-S型铁电和G型反铁 磁, 而两层厚度的CaFeO薄膜则同时具有FE-110- IP型铁电和A型反铁磁, 且沿垂直方向有较弱的铁 磁性. (a) (b) a b c a c a b c a b c a b c Γ 5 − Μ 2 + Μ 5 − Top view Side view O Sn Ca FE mode Rotation mode Tilt mode 图 10 (a) SnO2 封端的 2-单元厚度 CaSnO 薄膜铁电 110-IP 相俯视图与侧视图, 绿色箭头代表极化方向; (b) 铁电 110-IP 态相对于顺电态的铁电模、旋转模和倾 斜模示意图 [58] Fig. 10. (a) Top and side view of the 2-UC SnO2- terminated CaSnO thin films with the FE 110-IP state; the green arrows represent the direction of polariza￾tion; (b) schematic illustration of the FE, rotation and tilt modes presented in the FE 110-IP state relative to the PE state [58] . 3.4 其他低维铁电材料设计 外加应变和电场作为一种有效的调控手段, 常 被用来研究和调控低维纳米材料的性质. 在铁电材 料中, 由于压电效应的存在, 应力也常常是调控极 化的有效途径. 因此, 能否通过外界调控在原来非 铁电材料的低维材料中引入铁电性也是设计低维 铁电材料的一种思路. Zhang等[59] 通过第一性原 理计算发现二维单层PbTe基态结构具有中心反演 对称性, 从而限制了自发极化的存在. 但当施加平 面双向拉伸应变后, 结构将由高对称性P4/nmm 转变为Pmn21 对称性, Pb和Te原子发生平面内相 对位移, 从而在平面内产生自发极化, 得到平面内 铁电性. 我们课题组对磷烯纳米带在外加电场调 控下的铁电性质进行了理论研究, 发现黑磷扶手椅 边纳米带中可以通过外加垂直平面电场调控实现 基于电子极化的平面内铁电性, 极化的产生主要来 自外加电场下电荷的移动, 并且双层磷纳米带中 的极化强度与传统的钙钛矿铁电材料相当 [60] . 另 外, 我们还研究了层状过渡金属卤化物体系中通过 电荷掺杂引入铁电性的可能性. 本征的过渡金属 卤化物, 如CrBr3, 由于其高对称性(D3d)的结构而 不具有铁电性. 我们的研究发现, 通过掺杂Li等阳 离子在CrBr3 晶格中引入奇数个电子, 将在相邻的 Cr-Br6 格点上引发反常的非对称Jahn-Teller畸变, 如图11 所示. 畸变同时打破了体系原本的轨道序 与电荷序, 从而引发面内的铁电极化. 并且该体系 中的电极化与磁化具有较强的关联性, 为磁电耦合 及二维多铁性材料的研究提供了新的平台[61] . 通常来说铁电体都是绝缘体, 理论上铁电性不 能和金属性并存. 但随着研究的深入, 人们发现其 x y z Cr1 Cr2 3.0 2.6 (a) (b) 图 11 优化的单层 (a) CrBr3 和 (b) CrBr0.5− 3 结构俯视图, 其中棕色和蓝绿色小球分别代表 Br 和 Cr 原子, 菱形 虚线代表初基胞 [61] Fig. 11. Top view of the optimized CrBr3 (a) and CrBr0.5− 3 (b) monolayer. Brown and cyan balls represent Br and Cr atoms, respectively. Dashed rhombus represents the primitive cell [61] . 157701-10