物理学报 Acta Phys.Sin.Vol.67,No.15(2018)157701 铁电相变时,横场 Ising模型也是广泛采用的理德瓦耳斯层状材料中铁电性的存在. Shirodkar和 论模型 Waghmare例发现在1T相单层MoS2中不稳定的 K3光学模使得Mo原子发生如图1(a)和图1(c)所 3低维铁电材料探索 示的三聚化畸变,由中心对称的c1T结构转变为低 对称性的d1T结构,并在费米面附近打开了一定 3.1二维范德瓦耳斯层状铁电材料 的带隙(如图1(b)所示);结构畸变与极化模之间 在纳米薄膜等低维材料中实现铁电性由于其的非线性耦合产生了垂直平面的方向可翻转自发 在基础科学领域的重要性以及在纳米电子设备中极化,而图1(d)中dT结构与c结构电荷密度 潜在的应用价值,一直是研究工作着长期追寻的目差的中心反演对称破缺也证实了垂直平面铁电性 标.早在1944年, Onsager就利用理想 Ising模的存在. Sante等预言在低褶皱的二维六角AB 型预言了二维铁电的存在,但是如何在室温下保持双元素单层结构中存在垂直平面的铁电性,这里 薄膜中的铁电性仍然是巨大的挑战.对于传统的铁A,B属于第ⅣV族或ILV族元素,包括第Ⅳ族双 电薄膜材料如 BaTic3和PbTO3等,随着薄膜厚元素结构SiGe,Sisn,GeSn以及IV族双元素结 度减小到临界值12A和24A时,退极化场、表面能构ASb,GaP,GaAs,InP,InAs,InSb等.双元素 效应以及电子屏蔽的存在就会破坏薄膜中的铁电打破了原石墨烯、硅烯等六角结构中的中心反演 性 对称性,从而产生了垂直平面的自发极化,且自发 通常来说自发电极化的存在需要打破结构的极化的方向可以通过调整低褶皱角度而翻转.另 中心反演对称性,而和体材料相比,二维材料由外,Gian等图通过计算发现最近实验成功合成 于维度的降低通常会失去一些对称性,从而在一的 8-GeSe I单层结构中存在平面内的自发极化 定程度上为铁电性的存在提供了可能性.近年来相应的居里温度约为200K且可以通过外加应变 些基于第一性原理的理论工作预言了在二维范提高 (b)2□ 图1结构能带以及d1T和cT结构对比(a)畸变的低对称性dT结构√3×√3元胞中Mo原子三聚 化和(b)电子结构;(c)dT相相对c1T相的位移矢量(绿色箭头);(d)具有向上极化方向的铁电dT态与 c1T态电荷密度差等值面,绿色(浅灰色)表示负电荷,蓝色(深灰色)表示正电荷,电荷密度差的中心反演 对称破缺证实了三聚化基态结构中的铁电性0 Fig. 1. Structure, band structure, and comparison of diT with cIT:(a) Trimerization of Mo atoms in the distorted low symmetry IT form with a v3 x V3 unit cell and(b)electronic structure of dIT MoS2;(c)displacement vectors(green arrows) of the dIT phase with respect to the cIT phase;(d)an isosurface of the difference in charge densities of ferroelectric dIT state with up polarization and the cIT state; green color (light grey) denotes negative charge and blue(dark grey) denotes positive charge; the broken inversion symmetry in the charge density difference confirms ferroelectricity in the cell-tripled ground state structure [301 157701-3物 理 学 报 Acta Phys. Sin. Vol. 67, No. 15 (2018) 157701 铁电相变时, 横场Ising模型 [28] 也是广泛采用的理 论模型. 3 低维铁电材料探索 3.1 二维范德瓦耳斯层状铁电材料 在纳米薄膜等低维材料中实现铁电性由于其 在基础科学领域的重要性以及在纳米电子设备中 潜在的应用价值, 一直是研究工作着长期追寻的目 标. 早在1944年, Onsager[29] 就利用理想Ising模 型预言了二维铁电的存在, 但是如何在室温下保持 薄膜中的铁电性仍然是巨大的挑战. 对于传统的铁 电薄膜材料如BaTiO3 和PbTiO3 等, 随着薄膜厚 度减小到临界值12 Å和24 Å时, 退极化场、表面能 效应以及电子屏蔽的存在就会破坏薄膜中的铁电 性[9,11] . 通常来说自发电极化的存在需要打破结构的 中心反演对称性, 而和体材料相比, 二维材料由 于维度的降低通常会失去一些对称性, 从而在一 定程度上为铁电性的存在提供了可能性. 近年来 一些基于第一性原理的理论工作预言了在二维范 德瓦耳斯层状材料中铁电性的存在. Shirodkar和 Waghmare [30] 发现在1T相单层MoS2 中不稳定的 K3 光学模使得Mo原子发生如图 1 (a)和图 1 (c)所 示的三聚化畸变, 由中心对称的c1T结构转变为低 对称性的d1T结构, 并在费米面附近打开了一定 的带隙(如图 1 (b)所示); 结构畸变与极化模之间 的非线性耦合产生了垂直平面的方向可翻转自发 极化, 而图1 (d)中d1T结构与c1T结构电荷密度 差的中心反演对称破缺也证实了垂直平面铁电性 的存在. Sante等[31] 预言在低褶皱的二维六角AB 双元素单层结构中存在垂直平面的铁电性, 这里 A, B 属于第IV族或III-V族元素, 包括第IV族双 元素结构SiGe, SiSn, GeSn以及III-V族双元素结 构AlSb, GaP, GaAs, InP, InAs, InSb等. 双元素 打破了原石墨烯、硅烯等六角结构中的中心反演 对称性, 从而产生了垂直平面的自发极化, 且自发 极化的方向可以通过调整低褶皱角度而翻转. 另 外, Guan等[32] 通过计算发现最近实验成功合成 的β-GeSe [33] 单层结构中存在平面内的自发极化, 相应的居里温度约为200 K且可以通过外加应变 提高. (a) (b) (c) (d) S Mo x Γ Γ Κ Μ x y z 2 1 0 −1 −2 Ε−ΕF/eV 图 1 结构、能带以及 d1T 和 c1T 结构对比 (a) 畸变的低对称性 d1T 结构 √ 3 × √ 3 元胞中 Mo 原子三聚 化和 (b) 电子结构; (c) d1T 相相对 c1T 相的位移矢量 (绿色箭头); (d) 具有向上极化方向的铁电 d1T 态与 c1T 态电荷密度差等值面, 绿色 (浅灰色) 表示负电荷, 蓝色 (深灰色) 表示正电荷, 电荷密度差的中心反演 对称破缺证实了三聚化基态结构中的铁电性 [30] Fig. 1. Structure, band structure, and comparison of d1T with c1T: (a) Trimerization of Mo atoms in the distorted low symmetry 1T form with a √ 3 × √ 3 unit cell and (b) electronic structure of d1T MoS2; (c) displacement vectors (green arrows) of the d1T phase with respect to the c1T phase; (d) an isosurface of the difference in charge densities of ferroelectric d1T state with up polarization and the c1T state; green color (light grey) denotes negative charge and blue (dark grey) denotes positive charge; the broken inversion symmetry in the charge density difference confirms ferroelectricity in the cell-tripled ground state structure [30] . 157701-3