(純計算)北京大學王前團隊ACS Nano: 在PdSe2/PtSe2範德華異質結中實現面內滑移鐵電

  • 2024-06-24 08:11
  • 科研任我行
2024年6月21日，ACS Nano在線發表了北京大學王前教授課題組的研究論文，題目爲《In-Plane Sliding Ferroelectricity Realized in Penta-PdSe2/Penta-PtSe2 van der Waals Heterostructure》，論文的第一作者爲Changsheng Hou。

由於迫切需要低轉換勢壘和小型化以集成到納米器件中，人們投入了大量精力來探索具有範德華界面的二維材料中的鐵電性。儘管大多數二維材料的單層表現出具有高度對稱晶格的非鐵電特性，但對稱性破缺可能發生在具有特定堆疊構型的雙層中。這種現象導致了滑移鐵電性的出現，其中自發極化可以通過層間滑移反轉。與傳統的基於離子位移的鐵電機制不同，滑移誘導鐵電性的產生不需要克服強化學鍵的影響；相反，它只需要克服較弱的層間範德華力。因此，與傳統鐵電材料相比，滑移鐵電材料顯著降低了鐵電轉換勢壘，使得室溫鐵電成爲可能。

滑移鐵電性的概念最初於2017年提出，揭示了二維範德華多層中由面內平移引起垂直鐵電的普遍存在。近年來，在雙層或多層BN、γ-InSe和過渡金屬硫族化合物（TMDs）（如WTe2、MoS2和MoTe2）中，已經實驗觀察到了滑移鐵電性。然而，面內滑移鐵電的缺乏主要是由於層間滑移難以打破沿面內方向的本徵對稱性。與面外極化相比，面內極化有可能提高材料的導電性，並使電子能夠沿面內方向更快地響應，使面內極性材料有望用於實際的鐵電器件。因此，設計和合成能夠產生面內滑移鐵電的二維層狀材料具有重要意義。

在此研究中，作者對penta-PdSe2/penta-PtSe2範德華異質結的滑移鐵電性進行了理論研究。從128種滑移模式中，確定了四種穩定的滑移構型，並發現這種異質結表現出沿[100]方向的面內滑移鐵電性，具有1.91 meV/atom的超低極化轉換勢壘和±17.11 × 10–10 C m–1的高鐵電極化。特別是，PdSe2/PtSe2異質結具有兩個穩定的極性態，即（0.36, 0.34）和（0.64, 0.34），表現出17.11 × 10–10 C m–1的可逆自發極化。同樣重要的是，這兩種構型沿[100]和[010]方向具有負泊松比。此外，PdSe2/PtSe2範德華異質結顯示出高載流子遷移率、高電導率和強二次諧波產生。這項研究顯示了基於二維五邊形的範德華異質結在設計面內滑移鐵電體方面的潛力。

圖1 堆疊構型的滑移模式


圖2 穩定堆疊構型的頂視圖、側視圖和聲子譜


圖3 穩定滑移構型的電子能帶結構、態密度和投影態密度


圖4 穩定滑移構型形變電荷密度的空間分佈


圖5 (a) 異質結的典型滑移構型及其沿[100]方向的自發極化俯視圖；(b-c) 從(0.00, 0.79)構型滑移到(0.36, 0.34)和(0.64, 0.34)構型的能量分佈；(d) 在(0.36, 0.34)和(0.64, 0.34)構型之間滑移的能量分佈；(e) 沿[100]方向的自發極化P隨滑移位移0.0、2.0和4.0 Å的變化，分別對應於(0.36, 0.34)、(0.50, 0.34)和(0.64, 0.34)構型


圖6 載流子遷移率隨溫度的變化


圖7 300 K下電導率隨化學勢μ的變化


圖8 SHG磁化率的虛部

【論文鏈接】
Hou, C., Shen, Y., Wang, Q. et al. In-Plane Sliding Ferroelectricity Realized in Penta-PdSe2/Penta-PtSe2 van der Waals Heterostructure. ACS Nano, 2024. https://doi.org/10.1021/acsnano.4c02994

【其他相關文獻】

[1] Guo, Y., Zhou, J., Xie, H. et al. Screening transition metal-based polar pentagonal monolayers with large piezoelectricity and shift current. npj Comput. Mater., 2022, 8, 40. https://doi.org/10.1038/s41524-022-00728-4
[2] Xin, J., Guo, Y. & Wang, Q. Screening two-dimensional pyroelectric materials based on pentagonal chains with large shift current. Phys. Rev. Mater., 2023, 7, 074001. https://doi.org/10.1103/PhysRevMaterials.7.074001
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