近日，中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家實驗室國際功能材料量子設計中心及物理系朱文光研究組與校內外同行合作，通過理論計算預言了首類同時具有面內和面外極化且單層穩定的二維鐵電材料。該研究成果以Prediction of intrinsic two-dimensional ferroelectrics in In2Se3 and other III2-VI3 van der Waals materials 為題，于4月7日發表在《自然-通訊》[Nature Communications 8, 14956 (2017)]雜志上，論文共同第一作者為博士生丁文雋、朱健保、王喆。

　　作為具有自發電極化且其極化方向可通過外電場反轉的體系，鐵電材料在信息存儲、場效應器件、感應器件等諸多方面具有廣泛的應用價值。對傳統鐵電材料的研究主要集中在以鈣鈦礦氧化物為代表的材料體系。然而，當將這類鐵電材料通過表面外延生長技術制成薄膜時，由于退極化場的作用，其鐵電性在某一臨界厚度下多會消失。范德華類層狀二維體系是近年來材料研究的熱點之一。自2004年首次實驗成功得到單層石墨烯以來，目前已有上百種新的二維材料被發現并在實驗上合成，它們展現出十分豐富的物理與化學性質，為未來器件的進一步微小化和柔性化提供了新的機遇和材料基礎。意外的是，在目前所有已知的二維材料中，尚欠缺具有垂直于二維面鐵電極化且單層結構穩定的鐵電材料。究其原因，是形成垂直方向電極化所需的對稱性破缺與材料的穩定性存在內稟矛盾。因此，在范德華類二維材料體系中尋找具有垂直方向電極化且單層穩定的二維鐵電材料是一個具有相當挑戰性的科學難題。

　　針對這一挑戰，該團隊利用第一性原理計算方法，發現已在自然界存在的層狀材料In2Se3的單層即為一種同時具有面內和面外極化的穩定二維鐵電材料。對于該材料的結構，以往的實驗研究已表明它的室溫相具有類似于石墨的層狀結構，其中每五個原子層通過共價鍵組成穩定的二維單元，不同單元之間通過弱的范德華相互作用相結合，因此該材料可以被剝離成很薄甚至單層的二維薄膜，但以往的研究對其單個二維單元內原子的堆積結構并不確定。該研究首先確定了單個二維單元的最穩定結構（如圖所示），并發現由于其原子層在垂直于二維面方向分布的不對稱性，使其產生一個垂直于二維面的面外自發電極化，且其極化的方向可以通過靈巧的多原子協同運動進行反轉。進一步的計算表明，面外方向電極化的反轉所需要跨越的能量勢壘與常規鈣鈦礦鐵電材料相近，并且可以通過施加一個垂直方向的外電場進一步降低相應的能量勢壘、打破原本能量簡并的兩個極化方向的平衡，驅動體系向某一極化方向轉變。此外，由于該穩定結構的單層在面內不具有中心反演對稱性，導致其同時存在面內方向的自發鐵電極化，并且其極化的方向與面外極化的方向相互關聯，以此有望實現電場與極化方向的交叉耦合調控。在此發現的基礎上，進一步預言由與In2Se3同族元素組合而成的化合物，如果可以形成類似的層狀結構，其鐵電相也將同樣成為穩定的基態結構。

　　此類二維鐵電材料的發現有效拓展了二維材料家族的功能性，特別是為調控由多種二維材料組成的多層范德華二維異質結體系的物性提供了新的空間。該研究也通過構建二維鐵電材料與其它二維材料組成的雙層異質結初步展示了其調控能力。如在In2Se3 與WSe2 構成的異質結中，通過外電場對In2Se3電極化方向的反轉，可以實現體系從半導體性到近似金屬性的轉變（如圖所示）；在In2Se3 與石墨烯構成的異質結中，通過In2Se3電極化方向的反轉，可以改變界面間所形成的肖特基勢壘的高度。該類新型材料更多的潛在應用有待于進一步探索與研究。

　　此項研究得到了國家千人計劃、國家自然基金委、科技部、中科院和教育部的資助。

中國科大理論預言首類結構穩定的單層二維鐵電材料