鐵電材料具有自發(fā)極化并可被電場(chǎng)翻轉(zhuǎn)，可用于信息存儲(chǔ)，降低其翻轉(zhuǎn)勢(shì)壘利于降低能耗和提高數(shù)據(jù)寫入速度，但同時(shí)又要保證能在工作溫度下穩(wěn)定，兩者通常相互沖突。這篇綜述回顧了幾種之前理論提出過(guò)的可能兼具低翻轉(zhuǎn)勢(shì)壘和室溫穩(wěn)定性的鐵電機(jī)制：（一）具有超低翻轉(zhuǎn)勢(shì)壘的滑移鐵電機(jī)制已在一系列范德華層狀材料中得到實(shí)驗(yàn)證實(shí)，有望使二維材料的各種物理性質(zhì)（磁性、光伏、谷電子和拓?fù)湫再|(zhì)等）能夠方便地用電場(chǎng)非易失調(diào)控。（二）一些氫鍵鐵電可通過(guò)質(zhì)子轉(zhuǎn)移以低勢(shì)壘進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，其產(chǎn)生的新型壓電機(jī)制利用氫鍵特性可獲得超高壓電系數(shù)。（三）由類共價(jià)離子鍵誘導(dǎo)的超離子鐵電可兼具高極化和低翻轉(zhuǎn)勢(shì)壘，甚至還可產(chǎn)生量子化極化的非常規(guī)鐵電性，即便在非鐵電點(diǎn)群晶體中也可能存在。這些低勢(shì)壘鐵電機(jī)制可能帶來(lái)新的物理現(xiàn)象和潛在應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，有待進(jìn)一步的探索。
該綜述論文以“Theoretical designs of low-barrier ferroelectricity”發(fā)表于WIREs Computational Molecular Science
(http://doi.org/10.1002/wcms.1682)，湖北第二師范學(xué)院高亞鑫講師，湖北師范學(xué)院任洋洋講師，華中科技大學(xué)吳夢(mèng)昊教授為共同通訊作者，浙江理工大學(xué)鐘婷婷講師為第一作者。
圖1.雙層 (a) BN, (b) MoS2, 和(c) ZrI2通過(guò)層間滑移的鐵電翻轉(zhuǎn)路徑。(d) 1T’ ReS2極化，翻轉(zhuǎn)勢(shì)壘和PFM相滯回線。(e)插入雙層BN之間的雙層石墨烯的鐵電翻轉(zhuǎn)路徑。
圖2. (a)WTe2雙層中鐵電翻轉(zhuǎn)勢(shì)壘和鐵電-反鐵電轉(zhuǎn)變勢(shì)壘的比較。(b)扭角WTe2雙層形成的莫爾鐵電疇。(c)扭角半導(dǎo)體雙層的不同鐵電疇中上層和下層能帶之間的相對(duì)移動(dòng)。(d)在扭角BN雙層中形成的meron–antimeron對(duì)網(wǎng)格。
圖3. (a) MnSe鐵電翻轉(zhuǎn)過(guò)程中磁性的翻轉(zhuǎn)。(b) 雙層T-FeCl2 鐵電翻轉(zhuǎn)過(guò)程中兩個(gè)能谷的變化。(c) 鐵電雙層MoS2相反鐵電疇的體光伏響應(yīng)和光吸收系數(shù)。(d)磁和電偶極能調(diào)控多鐵雙層VSe2的體光伏效應(yīng)。(e)雙層ZrI2在層滑移過(guò)程中的光磁現(xiàn)象示意圖。
圖4. (a)層間滑移翻轉(zhuǎn)三層Bi2Te3的電極化，使得邊界處自旋鎖定流的手性和方向翻轉(zhuǎn)。(b)雙層MnBi2Te4，鐵電極化可翻轉(zhuǎn)貝利曲率和反常霍爾效應(yīng)。
圖5.（a）CBDC和PhMDA通過(guò)質(zhì)子轉(zhuǎn)移實(shí)現(xiàn)鐵電轉(zhuǎn)換。（b）CrOOH在雙軸應(yīng)變下的鐵電翻轉(zhuǎn)路徑和勢(shì)壘。（c）PhMDA和[H-55DMBP][Hia]的幾何結(jié)構(gòu)、質(zhì)子遷移勢(shì)壘以及P-T曲線草圖。
圖6.（a）氫鍵鏈中質(zhì)子空位誘導(dǎo)的具有量子化極化的非常規(guī)鐵電性。（b）γ-MOOH通過(guò)-OH鍵旋轉(zhuǎn)（黑色箭頭所示模式1）或質(zhì)子跳躍（紅色箭頭所示模式2）實(shí)現(xiàn)鐵電切換的示意圖。
圖7. (a)纖鋅礦型ZnO及(b)閃鋅礦型AgI晶體的鐵電翻轉(zhuǎn)路徑。(c)雙元化合物的巖鹽型結(jié)構(gòu)與纖鋅礦型結(jié)構(gòu)能量差關(guān)于其菲利普電離度的變化關(guān)系圖。(d)在巖鹽型與纖鋅礦型結(jié)構(gòu)中，具有較大離子半徑的陽(yáng)離子與其相鄰具有較小離子半徑的陰離子間距離的示意圖。(e)纖鋅礦型鹵化鋰結(jié)構(gòu)的鐵電翻轉(zhuǎn)路徑。
圖8. (a)非中心對(duì)稱的超堿/超鹵素團(tuán)簇結(jié)構(gòu)與各向同性的單原子結(jié)構(gòu)對(duì)比圖。(b)一些典型的PnH4MX4超鹽結(jié)構(gòu)示意圖，PnH4MX4超鹽結(jié)構(gòu)可以通過(guò)化學(xué)反應(yīng)MPn+4HX→PnH4MX4或者PnH4X+MX3→PnH4MX4來(lái)合成。(c)NH4BCl4結(jié)構(gòu)的鐵電翻轉(zhuǎn)路徑。(d)PH4FeBr4結(jié)構(gòu)可以通過(guò)鐵彈翻轉(zhuǎn)(或者90度鐵電翻轉(zhuǎn))來(lái)實(shí)現(xiàn)自旋方向的轉(zhuǎn)換。
吳夢(mèng)昊于2014年加入華中科技大學(xué)物理學(xué)院任教授，博士生導(dǎo)師。主要從事二維鐵電/多鐵的理論研究，并有一系列相關(guān)預(yù)測(cè)隨后得到實(shí)驗(yàn)證實(shí)，尤其是提出的滑移鐵電理論近年來(lái)已被證實(shí)適用于多種體系。目前以通訊作者在Nat Rev Phys、Nat Commun、Sci Adv、PNAS、Natl Sci Rev、PRL、JACS等期刊發(fā)表文章50余篇，入選Elsevier中國(guó)高被引學(xué)者。
鐘婷婷，浙江理工大學(xué)理學(xué)院碩士生導(dǎo)師，多年來(lái)一直從事低維鐵電和多鐵性研究，近年來(lái)在Advanced Science, National Science Review, ACS Nano, Physical Chemistry Chemical Physics, Journal of Materials Chemistry A, WIREs Computational Molecular Science等期刊上以第一作者或合作研究發(fā)表SCI論文近10篇，主持國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金一項(xiàng)。
高亞鑫，博士畢業(yè)于華中科技大學(xué)物理學(xué)院，現(xiàn)任湖北第二師范學(xué)院專任教師，主要從事高性能鐵電/多鐵材料的研究，在探索準(zhǔn)離子、團(tuán)簇離子等體系的鐵電性方面積累了豐富的研究經(jīng)驗(yàn)，至今以第一或者共一作者身份在Nature Commun.、Nanoscale Horiz.、J Phys Chem Lett.、Phys. Rev. B期刊發(fā)表論文數(shù)篇，主持湖北省自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目一項(xiàng)。
任洋洋，碩士生導(dǎo)師，2021年畢業(yè)于華中科技大學(xué)物理學(xué)院，同年進(jìn)入湖北師范大學(xué)工作。近年來(lái)主要關(guān)注氫鍵系統(tǒng)鐵電/壓電性的理論研究及器件設(shè)計(jì)，先后在Natl. Sci. Rev.、ACS Appl. Mater. Interfaces、Appl. Phys. Lett.等期刊發(fā)表SCI論文10余篇。目前主持湖北省自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目一項(xiàng)。
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http://doi.org/10.1002/wcms.1682
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