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二维铁电材料的第一性原理研究进展.docx
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2022-07-13
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二维铁电材料的第一性原理研究进展.docx
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具有可调电极化特性的铁电体(Ferroelectrics,FEs)是一种重要的功能材料,
被广泛应用在非易失性存储器、场效应晶体管(Field Effect Transistors,FETs)、
传感器和太阳能电池等领域
[1,2,3]
。为了实现高密度的电子器件,铁电体必须在纳
米尺度上保持稳定的室温极化。然而传统的钙钛矿铁电体,如 Pb(Zr,Ti)O
3
具有
有限尺寸效应。当薄膜厚度低于几纳米的临界值时,由于表面电荷的不完全屏
蔽而产生的退极化场使得面外极化消失,这一效应也成为了铁电电子器件规模
化的主要障碍。而具有自发可切换极化的二维(Two-Dimensional,2D)材料为发
展超薄铁电体提供了潜在的解决方案。
由于二维铁电材料的制备对实验条件和材料要求较高,因此实验室制备二
维铁电材料的研究较少,大部分研究者通过理论方法来研究二维铁电材料。近
年来,第一性原理方法尤其是密度泛函理论(Density Functional Theory,DFT)计
算,在推动二维铁电体的发展方面发挥了重要作用,成功地预测了一些具有铁电
极化的二维材料。文献[4]基于 DFT 计算预测了羟基功能化石墨烯基材料的铁
电性。文献[5]用 Landau 理论分析和第一性原理计算证明,单层 MoS
2
的中心对
称 1T(c1T)结构的 K
3
模式可导致 Mo 原子的三聚化,导致 1T(d1T)相畸变,自发
极 化 为 0.18 μC·cm
-1
。 文 献 [6] 后 来 在 理 论 上 证 实 了 过 渡 金 属 二 卤 化 物
MX
2
(M=Mo,W;X=S,Se,Te)在 d1T 相下均为铁电体。实验也证实了二维材料的
铁电性,例如 CuInP
2
S
6
、α-In
2
Se
3
、SnTe、d1T-MoTe
2
和 Wte
2
[7]
。
1 研究方 法
目前对二维铁电材料的研究主要集中在理论分析上,如 Landau-Ginzburg-
Devonshire(LGD)热力学唯象理论、第一性原理计算等。第一性原理计算在理
解材料行为的微观机理、量化材料参数、预测新材料性能等方面有着广泛的应
用。通过第一性原理计算能够确定二维铁电材料的稳定晶体结构,量化其铁电
极化,探索潜在的铁电机制。
1.1 晶体 结构
由于非中心对称性是铁电极化的必要条件,因此确定基态或其他亚稳态的
晶体结构对研究二维铁电体极为重要。迄今为止,在二维铁电体的第一性原理
计算中,稳定的晶体结构 主要是通过 实验验证(2D-SnTe)与同 源二维化合物的
类比(单层 SbN)以及基于优化算法的结构优化(单层 LiAlTe
2
)
[8]
。通常二维材料
可能有多个稳定 状态,每个稳定状态可能是铁电的,并对应于局 部能量最小值,
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