鐵電材料具有自發(fā)極化并可被電場翻轉，可用于信息存儲，降低其翻轉勢壘利于降低能耗和提高數(shù)據(jù)寫入速度，但同時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的可能兼具低翻轉勢壘和室溫穩(wěn)定性的鐵電機制：（一）具有超低翻轉勢壘的滑移鐵電機制已在一系列范德華層狀材料中得到實驗證實，有望使二維材料的各種物理性質（磁性、光伏、谷電子和拓撲性質等）能夠方便地用電場非易失調控。（二）一些氫鍵鐵電可通過質子轉移以低勢壘進行翻轉，其產(chǎn)生的新型壓電機制利用氫鍵特性可獲得超高壓電系數(shù)。（三）由類共價離子鍵誘導的超離子鐵電可兼具高極化和低翻轉勢壘，甚至還可產(chǎn)生量子化極化的非常規(guī)鐵電性，即便在非鐵電點群晶體中也可能存在。這些低勢壘鐵電機制可能帶來新的物理現(xiàn)象和潛在應用優(yōu)勢，有待進一步的探索。
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)，湖北第二師范學院高亞鑫講師，湖北師范學院任洋洋講師，華中科技大學吳夢昊教授為共同通訊作者，浙江理工大學鐘婷婷講師為第一作者。
圖1.雙層 (a) BN, (b) MoS2, 和(c) ZrI2通過層間滑移的鐵電翻轉路徑。(d) 1T’ ReS2極化，翻轉勢壘和PFM相滯回線。(e)插入雙層BN之間的雙層石墨烯的鐵電翻轉路徑。
圖2. (a)WTe2雙層中鐵電翻轉勢壘和鐵電-反鐵電轉變勢壘的比較。(b)扭角WTe2雙層形成的莫爾鐵電疇。(c)扭角半導體雙層的不同鐵電疇中上層和下層能帶之間的相對移動。(d)在扭角BN雙層中形成的meron–antimeron對網(wǎng)格。
圖3. (a) MnSe鐵電翻轉過程中磁性的翻轉。(b) 雙層T-FeCl2 鐵電翻轉過程中兩個能谷的變化。(c) 鐵電雙層MoS2相反鐵電疇的體光伏響應和光吸收系數(shù)。(d)磁和電偶極能調控多鐵雙層VSe2的體光伏效應。(e)雙層ZrI2在層滑移過程中的光磁現(xiàn)象示意圖。
圖4. (a)層間滑移翻轉三層Bi2Te3的電極化，使得邊界處自旋鎖定流的手性和方向翻轉。(b)雙層MnBi2Te4，鐵電極化可翻轉貝利曲率和反常霍爾效應。
圖5.（a）CBDC和PhMDA通過質子轉移實現(xiàn)鐵電轉換。（b）CrOOH在雙軸應變下的鐵電翻轉路徑和勢壘。（c）PhMDA和[H-55DMBP][Hia]的幾何結構、質子遷移勢壘以及P-T曲線草圖。
圖6.（a）氫鍵鏈中質子空位誘導的具有量子化極化的非常規(guī)鐵電性。（b）γ-MOOH通過-OH鍵旋轉（黑色箭頭所示模式1）或質子跳躍（紅色箭頭所示模式2）實現(xiàn)鐵電切換的示意圖。
圖7. (a)纖鋅礦型ZnO及(b)閃鋅礦型AgI晶體的鐵電翻轉路徑。(c)雙元化合物的巖鹽型結構與纖鋅礦型結構能量差關于其菲利普電離度的變化關系圖。(d)在巖鹽型與纖鋅礦型結構中，具有較大離子半徑的陽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)纖鋅礦型鹵化鋰結構的鐵電翻轉路徑。
圖8. (a)非中心對稱的超堿/超鹵素團簇結構與各向同性的單原子結構對比圖。(b)一些典型的PnH4MX4超鹽結構示意圖，PnH4MX4超鹽結構可以通過化學反應MPn+4HX→PnH4MX4或者PnH4X+MX3→PnH4MX4來合成。(c)NH4BCl4結構的鐵電翻轉路徑。(d)PH4FeBr4結構可以通過鐵彈翻轉(或者90度鐵電翻轉)來實現(xiàn)自旋方向的轉換。
吳夢昊于2014年加入華中科技大學物理學院任教授，博士生導師。主要從事二維鐵電/多鐵的理論研究，并有一系列相關預測隨后得到實驗證實，尤其是提出的滑移鐵電理論近年來已被證實適用于多種體系。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中國高被引學者。
鐘婷婷，浙江理工大學理學院碩士生導師，多年來一直從事低維鐵電和多鐵性研究，近年來在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，主持國家自然科學基金青年基金一項。
高亞鑫，博士畢業(yè)于華中科技大學物理學院，現(xiàn)任湖北第二師范學院專任教師，主要從事高性能鐵電/多鐵材料的研究，在探索準離子、團簇離子等體系的鐵電性方面積累了豐富的研究經(jīng)驗，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基金青年科學基金項目一項。
任洋洋，碩士生導師，2021年畢業(yè)于華中科技大學物理學院，同年進入湖北師范大學工作。近年來主要關注氫鍵系統(tǒng)鐵電/壓電性的理論研究及器件設計，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基金青年項目一項。
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http://doi.org/10.1002/wcms.1682
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