物理学报 Acta Phys.Sin.Vol.67,No.15(2018)157701 其独特的电子结构、光学性质以及机械性质等引起唯象理论是基于 Landau理论的铁电体宏观热力 了人们的广泛关注,并进行了大量的研究11.石学理论, Landau理论是用来讨论连续相变的理论, 墨烯的研究热潮使其他的二维范德瓦耳斯层状纳 Ginzburg和 Devonshire l为了讨论一级相变 米材料也引起了广泛关注,包括二硫化钼等过渡金在其基础上进行了推广,提出能够处理一级和二级 属二硫化物、硒化锡等第四主族单硫化物、铁电相变的自由能表达式: 磷烯叫、h-BN等,它们具有一定的直接或间接 G=Go+ A(T-Tc)P+BP+CP6, 带隙,并且在垂直于平面方向的量子限制效应使其 具有不同于体材料的特殊性质.如单层二硫化钼具其中,P为铁电体电极化强度;T为温度,Tc为居 有可见光波长范围内的直接带隙叫,在光电器件里温度:系数AC,D与温度无关,对于一级相变 领域有潜在的应用价值磷烯的褶皱结构使其具有4,C>0,B<0;而对于二级相变,A,B>0, 各向异性的机械性质以及电子性质19,并且磷 C=0.其基本思想是将自由能展开为极化强度的 烯具有高电导率和低热导率等性质,使其在热电器各次幂之和,从自由能的极小值来确定体系的物理 件领域有一定的应用前景21 性质,建立展开式中各系数与测量参量的关系,从 尽管低维纳米材料呈现出如此新奇丰富的性 而得到与实验测量参量相比较的结果 质,但在电子设备中的实际应用还有一定的距离 而同时,低维纳米材料的兴起也为研究者提供了功22软模理 能材料设计的新思路.一方面,由于低维体系具有 软膜理论是从原子层面上阐述铁电性的微 巨大的表面积比,人们可以通过表面吸附、外加应观理论.20世纪60年代初, Cochran2和 Ander 变等手段对材料的性质进行调控.另一方面,从基on2几乎同时各自独立提出铁电相变理论应该 础研究角度看,当体系的维度降低到二维甚至一维在晶格动力学范围内加以研究,将铁电性的产生联 时,由于出现量子限制效应、长程库仑力截断等因系于布里渊区中心某个振动模式的软化.“软化 素,能否出现铁电性以及产生铁电极化的机制与宏在这里表示频率降低,软化到频率为零时,原子不 观块体材料相比有何异同,也是凝聚态物理和材料能回复到原来的平衡位置,导致振动“冻结”,相应 科学研究的热点.因此,如何在二维或更低维纳米的模式称为“软模”.软模本征矢的“冻结”造成了 材料中设计整合铁电性、铁磁性等功能性质,发展原子的静态位移,从而使晶体中出现自发极化.晶 多稳态多功能纳米电子设备成为研究者追求的目格振动频率取决于两部分的贡献,一个是短程恢复 标近年来,研究者从理论和实验上都对低维材料力,另一个为长程库仑力.对于横光学模(TO模) 中的铁电性进行了大量的研究.本文接下来的部分而言,这两部分力是相消的.如果这两部分力大小 将具体介绍铁电系统中常用的研究理论以及低维相等,则促使原子恢复到平衡位置的力等于零,原 铁电材料相关的最新研究进展 子偏离平衡位置的位移被冻结,即原子进入新的平 衡位置,晶体由一种结构进入到另一种结构,从而 2铁电材料的研究理论 发生相变.对于纵光学模①LO模),这两部分作用力 是相长的,总作用始终不会等于零,所以LO模不 21 Ginzburg- Landau- Devonshire唯象对铁电相变负责.软模理论只集中注意晶格振动, 理论 没有考虑电子结构变化的贡献.但是晶格振动和电 当温度超过居里温度时,铁电材料的自发极子之间存在耦合,要全面解释自发极化现象,要计 化消失,发生铁电相到顺电相的相变.铁电相变是入电子的贡献,在这个基础上后来出现了铁电性振 结构相变的一类,通常低温相的对称性较低,高温动-电子理论 相的对称性较高.系统对称性的改变反映了系统 软模理论最初只是用来处理位移型系统,后 内部有序化程度的改变. Landau理论将有序化程来人们认识到其基本观点也适用于有序无序系 度与对称性的变化联系起来,描述系统内部有序统p0.2.在有序无序系统中,相变时软化的集体激 化程度的参量称为序参量.在铁电相变中,序参量发不是晶格振动模而是赝自旋波,赝自旋波描述了 为自发极化. Ginzburg- Landa- Devonshire(GLD)粒子在双势阱中的分布和运动.在处理有序无序型 157701-2物 理 学 报 Acta Phys. Sin. Vol. 67, No. 15 (2018) 157701 其独特的电子结构、光学性质以及机械性质等引起 了人们的广泛关注, 并进行了大量的研究[12,13] . 石 墨烯的研究热潮使其他的二维范德瓦耳斯层状纳 米材料也引起了广泛关注, 包括二硫化钼等过渡金 属二硫化物[14]、硒化锡等第四主族单硫化物 [15]、 磷烯 [16]、h-BN [17] 等, 它们具有一定的直接或间接 带隙, 并且在垂直于平面方向的量子限制效应使其 具有不同于体材料的特殊性质. 如单层二硫化钼具 有可见光波长范围内的直接带隙 [18] , 在光电器件 领域有潜在的应用价值. 磷烯的褶皱结构使其具有 各向异性的机械性质以及电子性质 [19,20] , 并且磷 烯具有高电导率和低热导率等性质, 使其在热电器 件领域有一定的应用前景[21] . 尽管低维纳米材料呈现出如此新奇丰富的性 质, 但在电子设备中的实际应用还有一定的距离. 而同时, 低维纳米材料的兴起也为研究者提供了功 能材料设计的新思路. 一方面, 由于低维体系具有 巨大的表面积比, 人们可以通过表面吸附、外加应 变等手段对材料的性质进行调控. 另一方面, 从基 础研究角度看, 当体系的维度降低到二维甚至一维 时, 由于出现量子限制效应、长程库仑力截断等因 素, 能否出现铁电性以及产生铁电极化的机制与宏 观块体材料相比有何异同, 也是凝聚态物理和材料 科学研究的热点. 因此, 如何在二维或更低维纳米 材料中设计整合铁电性、铁磁性等功能性质, 发展 多稳态多功能纳米电子设备成为研究者追求的目 标. 近年来, 研究者从理论和实验上都对低维材料 中的铁电性进行了大量的研究. 本文接下来的部分 将具体介绍铁电系统中常用的研究理论以及低维 铁电材料相关的最新研究进展. 2 铁电材料的研究理论 2.1 Ginzburg-Landau-Devonshire唯象 理论 当温度超过居里温度时, 铁电材料的自发极 化消失, 发生铁电相到顺电相的相变. 铁电相变是 结构相变的一类, 通常低温相的对称性较低, 高温 相的对称性较高. 系统对称性的改变反映了系统 内部有序化程度的改变. Landau理论将有序化程 度与对称性的变化联系起来, 描述系统内部有序 化程度的参量称为序参量. 在铁电相变中, 序参量 为自发极化. Ginzburg-Landau-Devonshire (GLD) 唯象理论是基于Landau理论的铁电体宏观热力 学理论, Landau理论是用来讨论连续相变的理论, Ginzburg [22] 和Devonshire [23] 为了讨论一级相变, 在其基础上进行了推广, 提出能够处理一级和二级 铁电相变的自由能表达式: G = G0 + 1 2 A(T − TC)P 2 + 1 4 BP4 + 1 6 CP6 , 其中, P 为铁电体电极化强度; T 为温度, TC 为居 里温度; 系数A, C, D 与温度无关. 对于一级相变, A, C > 0, B < 0; 而对于二级相变, A, B > 0, C = 0. 其基本思想是将自由能展开为极化强度的 各次幂之和, 从自由能的极小值来确定体系的物理 性质, 建立展开式中各系数与测量参量的关系, 从 而得到与实验测量参量相比较的结果. 2.2 软模理论 软膜理论是从原子层面上阐述铁电性的微 观理论. 20世纪60年代初, Cochran [24] 和Ander￾son [25] 几乎同时各自独立提出铁电相变理论应该 在晶格动力学范围内加以研究, 将铁电性的产生联 系于布里渊区中心某个振动模式的软化. “软化” 在这里表示频率降低, 软化到频率为零时, 原子不 能回复到原来的平衡位置, 导致振动“冻结”, 相应 的模式称为“软模”. 软模本征矢的“冻结”造成了 原子的静态位移, 从而使晶体中出现自发极化. 晶 格振动频率取决于两部分的贡献, 一个是短程恢复 力, 另一个为长程库仑力. 对于横光学模(TO模) 而言, 这两部分力是相消的. 如果这两部分力大小 相等, 则促使原子恢复到平衡位置的力等于零, 原 子偏离平衡位置的位移被冻结, 即原子进入新的平 衡位置, 晶体由一种结构进入到另一种结构, 从而 发生相变. 对于纵光学模(LO模), 这两部分作用力 是相长的, 总作用始终不会等于零, 所以LO模不 对铁电相变负责. 软模理论只集中注意晶格振动, 没有考虑电子结构变化的贡献. 但是晶格振动和电 子之间存在耦合, 要全面解释自发极化现象, 要计 入电子的贡献, 在这个基础上后来出现了铁电性振 动-电子理论. 软模理论最初只是用来处理位移型系统, 后 来人们认识到其基本观点也适用于有序无序系 统 [26,27] . 在有序无序系统中, 相变时软化的集体激 发不是晶格振动模而是赝自旋波, 赝自旋波描述了 粒子在双势阱中的分布和运动. 在处理有序无序型 157701-2