[論文レビュー] Two-Dimensional Multiferroics: Ferroelasticity, Ferroelectricity, Domain Wall, and Potential Mechano-Opto-Electronic Applications

Hua Wang, Xiaofeng Qian|arXiv (Cornell University)|Jun 14, 2016

2D Materials and Applications参考文献 62被引用数 149

ひとこと要約

この論文は、2Dモノレイヤーの第IV族モノクロ不動体GeS、GeSe、SnS、SnSeが、室温で安定し、ひずみによって調整可能な巨大な面内の ferroelectric polarization（強誘電分極）と ferroelastic（>> ferroelastic）ひずみを結びつけるマルチフェロイクスであると予測し、機械光電子デバイスの概念を示す。

ABSTRACT

Low-dimensional multiferroic materials hold great promises in miniaturized device applications such as nanoscale transducers, actuators, sensors, photovoltaics, and nonvolatile memories. Here, using first-principles theory we predict that two-dimensional (2D) monolayer Group IV monochalcogenides including GeS, GeSe, SnS, and SnSe are a class of 2D semiconducting multiferroics with strongly coupled giant in-plane spontaneous ferroelectric polarization and spontaneous ferroelastic lattice strain that are thermodynamically stable at room temperature and beyond, and can be effectively modulated by elastic strain engineering. Their optical absorption spectra exhibit strong in-plane anisotropy with visible-spectrum excitonic gaps and sizable exciton binding energies, rendering the unique characteristics of low-dimensional semiconductors. More importantly, the predicted low domain wall energy and small migration barrier together with the coupled multiferroic order and anisotropic electronic structures suggest their great potentials for tunable multiferroic functional devices by manipulating external electrical, mechanical, and optical field to control the internal responses, and enable the development of four device concepts including 2D ferroelectric memory, 2D ferroelastic memory, and 2D ferroelastoelectric nonvolatile photonic memory as well as 2D ferroelectric excitonic photovoltaics.

研究の動機と目的

• 低次元での小型デバイス（トランスデューサ、アクチュエータ、センサー、光伏、非揮発性メモリ）を動機付ける。
• GeS、GeSe、SnS、SnSeにおける2次元マルチフェロイクス挙動を予測・特徴付ける。
• 面内の自発的 ferroelectric polarization と ferroelastic格子ひずみの結合を示す。
• デバイス概念に関連する異方性の光学応答と励起子特性を強調する。

提案手法

• 第一原理理論を用いて、2Dモノレイヤーの第IV族モノクロ化合物におけるマルチフェロイクス秩序を予測する。
• 室温以上での熱力学的安定性を示す。
• 面内自発的 ferroelectric polarization と ferroelastic格子ひずみの結合を解析する。
• 面内の異方性と有意な結合エネルギーを持つ励起子ギャップを伴う光学吸収スペクトルを計算する。
• デバイス機能性に関連するエネルギーと移動障壁を含むドメインウォール特性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GeS、GeSe、SnS、SnSeのモノレイヤーは室温で結合したferroelectricおよびferroelastic秩序を保持できるか？
• RQ2 これらの2D材料における弾性ひずみ工学はマルチフェロイクス秩序と電子構造をどのように変調するか？
• RQ3 面内の異方性から生じる光学的・励起子特性は何か、デバイス機能性をどう実現するか？
• RQ4 2D ferroelasto-および ferroelectric coupling を活用できるデバイス概念（例：2Dフェロ電気メモリ、2D ferroelasticメモリ、2D ferroelastoelectric非揮発性光記憶、2Dフェロ電気励起子光電）とは何か？

主な発見

• GeS、GeSe、SnS、SnSeのモノレイヤーは、面内の強く結合した ferroelectric polarization と ferroelastic格子ひずみを持つ2D半導体マルチフェロイクスとして予測される。
• これらの2Dマルチフェロイクスは室温およびそれ以上の温度で熱力学的に安定であり、弾性ひずみ工学によって変調可能である。
• 材料は強い面内光学異方性を示し、可視スペクトルの励起子ギャップと sizable な励起子結合エネルギーを持つ。
• 低いドメインウォールエネルギーと小さな移動障壁は、外部場によるマルチフェロイクス機能の調整を支える。
• 潜在的デバイス概念には、2Dフェロ電気メモリ、2D ferroelasticメモリ、2D ferroelastoelectric非揮発性光記憶、2Dフェロ電気励起子光電が含まれる。