物理学报 Acta Phys.Sin.Vol.67,No.15(2018)157701 2× 图6(a)单层 AgIp2Se6结构俯视图,其中棕色、粉色、紫色和蓝色小球分别代表Se,P,Bi和Ag原子,红色虚线 是元胞;(b)两个具有不同极化方向的畸变铁电相(上下图)和高对称顺电相(中间图)结构侧视图,其中紫色和蓝色 箭头分别代表Bi+离子和Ag+离子贡献的极化,绿色箭头代表单层 Agip2Se6总极化;(c)畸变的含Ag的硒八 面体(左)和含Bi的硒八面体(右)侧视图1 Fig. 6.(a)Top-view of the structure of monolayer AgBiP2Se6: the brown, pink, purple and blue balls represent Se, P, Bi and Ag atoms, respectively; the red dashed line is the unit cell;(b)schematic side-views of the two distorted ferroelectric phases with different polarization directions(upper and lower images)and the high symmetry paraelectric phase(centre image); the purple and blue arrows represent the polarizations contributed by the Bi+ and Ag+ ions, respectively; the green arrow represents the total polarization of monolayer AgBiP2Se6:(c)schematic side-views of the distorted selenium octahedral with the Ag(left )and Bi(right)ions inside [5I] 3.2共价功能化低维铁电材料 不少在以往的实验中已经成功合成,它们可直接集 成于以传统半导体或二维材料为基础的电路中,并 石墨烯等具有高迁移率的二维材料有望取代有望将高迁移率窄带隙半导体和室温铁性相结合 硅材料成为新一代电路基本材料,但是石墨烯的六进而可以此设计出一系列多功能异质结器件,如高 角晶格中心反演对称性使其中不可能自发极化,限开关比的二维铁电场效应晶体管、狄拉克费米子可 制了其在信息非易失性存储设备中的应用.然而在空穴/电子之间调控的拓扑晶体管、二维铁电甚 由于二维材料具有极大的比表面积,使得研究者可至多铁隧穿结等,使信息非破坏性读取和快速写入 以通过表面共价修饰来调控其性质.近年来,我们同时成为可能,在未来多功能器件中拥有重要应用 课题组和Wu课题组都对石墨烯表面进行价值 极化官能团羟基的吸附进行了理论研究,发现羟 基于二维材料的铁电体有望解决因硅基内存 基吸附后的石墨烯产生了较大的平面内自发极化,进一步小型化后棘手的量子隧穿和散热问题,而为 这是一种是基于氢键相互作用形成的位移型二维了提高数据存储密度,通常更需要的是铁电薄膜垂 铁电材料,也是第一例关于二维铁电材料的预言.直方向的极化特性.Wu课题组通过第一性原 并且通过理论模拟我们发现材料的居里温度超过理计算发现,卤素功能化的磷烯双层不仅具有垂直 室温高达700K,赋予二维有机铁电体在电子设备平面的电极化,还具有“可移动”的磁性.一般而言 中潜在的应用价值.之后,W课题组同围绕共价铁电性和铁磁性在信息读写方面各有优势和劣势 功能化低维铁电材料进行了进一步研究,通过第最佳组合则是“电写磁读”,因而兼具铁电性和铁磁 性原理计算表明,表面的某些极性化学基团(如性并相互耦合的多铁材料是多功能纳米材料研究 CH2F,-CHO,-COOH和-CONH2等)的修领域的热点.Wu课题组的研究表明,卤素功能化 饰可以使得一系列非铁电二维体系获得平面内的磷烯双层中的垂直极化可归因于共价铁电体不同 铁电性,且具有较高的居里温度.这些二维体系包于离子铁电体的特性,该规律可扩展至其他二维材 括石墨烯、锗烯、锡烯、二硫化物等一系列人们所熟料(如石墨烯、二硫化钼等)双层,其中每个插入的 知的二维材料,如图7所示以及硅(111)表面或是卤素或氢吸附原子都可存储1比特的数据,与上层 作为二维材料衬底的二氧化硅表面.而这些体系中成键时可表述为“0”,与下层成键时可表述为“1”, 157701-7物 理 学 报 Acta Phys. Sin. Vol. 67, No. 15 (2018) 157701 (a) (b) (c) P P FE FE PE 图 6 (a) 单层 AgBiP2Se6 结构俯视图, 其中棕色、粉色、紫色和蓝色小球分别代表 Se, P, Bi 和 Ag 原子, 红色虚线 是元胞; (b) 两个具有不同极化方向的畸变铁电相 (上下图) 和高对称顺电相 (中间图) 结构侧视图, 其中紫色和蓝色 箭头分别代表 Bi3+ 离子和 Ag+ 离子贡献的极化, 绿色箭头代表单层 AgBiP2Se6 总极化; (c) 畸变的含 Ag 的硒八 面体 (左) 和含 Bi 的硒八面体 (右) 侧视图 [51] Fig. 6. (a) Top-view of the structure of monolayer AgBiP2Se6; the brown, pink, purple and blue balls represent Se, P, Bi and Ag atoms, respectively; the red dashed line is the unit cell; (b) schematic side-views of the two distorted ferroelectric phases with different polarization directions (upper and lower images) and the high symmetry paraelectric phase (centre image); the purple and blue arrows represent the polarizations contributed by the Bi3+ and Ag+ ions, respectively; the green arrow represents the total polarization of monolayer AgBiP2Se6; (c) schematic side-views of the distorted selenium octahedral with the Ag (left) and Bi (right) ions inside [51] . 3.2 共价功能化低维铁电材料 石墨烯等具有高迁移率的二维材料有望取代 硅材料成为新一代电路基本材料, 但是石墨烯的六 角晶格中心反演对称性使其中不可能自发极化, 限 制了其在信息非易失性存储设备中的应用. 然而 由于二维材料具有极大的比表面积, 使得研究者可 以通过表面共价修饰来调控其性质. 近年来, 我们 课题组[53] 和Wu课题组[54] 都对石墨烯表面进行 极化官能团羟基的吸附进行了理论研究, 发现羟 基吸附后的石墨烯产生了较大的平面内自发极化, 这是一种是基于氢键相互作用形成的位移型二维 铁电材料, 也是第一例关于二维铁电材料的预言. 并且通过理论模拟我们发现材料的居里温度超过 室温高达700 K, 赋予二维有机铁电体在电子设备 中潜在的应用价值. 之后, Wu课题组 [55] 围绕共价 功能化低维铁电材料进行了进一步研究, 通过第 一性原理计算表明, 表面的某些极性化学基团(如 —CH2F, —CHO, —COOH和—CONH2 等)的修 饰可以使得一系列非铁电二维体系获得平面内的 铁电性, 且具有较高的居里温度. 这些二维体系包 括石墨烯、锗烯、锡烯、二硫化物等一系列人们所熟 知的二维材料, 如图 7所示以及硅(111)表面或是 作为二维材料衬底的二氧化硅表面. 而这些体系中 不少在以往的实验中已经成功合成, 它们可直接集 成于以传统半导体或二维材料为基础的电路中, 并 有望将高迁移率窄带隙半导体和室温铁性相结合, 进而可以此设计出一系列多功能异质结器件, 如高 开关比的二维铁电场效应晶体管、狄拉克费米子可 在空穴/电子之间调控的拓扑晶体管、二维铁电甚 至多铁隧穿结等, 使信息非破坏性读取和快速写入 同时成为可能, 在未来多功能器件中拥有重要应用 价值. 基于二维材料的铁电体有望解决因硅基内存 进一步小型化后棘手的量子隧穿和散热问题, 而为 了提高数据存储密度, 通常更需要的是铁电薄膜垂 直方向的极化特性. Wu课题组[56] 通过第一性原 理计算发现, 卤素功能化的磷烯双层不仅具有垂直 平面的电极化, 还具有“可移动”的磁性. 一般而言, 铁电性和铁磁性在信息读写方面各有优势和劣势, 最佳组合则是“电写磁读”, 因而兼具铁电性和铁磁 性并相互耦合的多铁材料是多功能纳米材料研究 领域的热点. Wu课题组的研究表明, 卤素功能化 磷烯双层中的垂直极化可归因于共价铁电体不同 于离子铁电体的特性, 该规律可扩展至其他二维材 料(如石墨烯、二硫化钼等)双层, 其中每个插入的 卤素或氢吸附原子都可存储1比特的数据, 与上层 成键时可表述为 “0”, 与下层成键时可表述为 “1”, 157701-7