[논문 리뷰] Two-Dimensional Multiferroics: Ferroelasticity, Ferroelectricity, Domain Wall, and Potential Mechano-Opto-Electronic Applications

Hua Wang, Xiaofeng Qian|arXiv (Cornell University)|2016. 06. 14.

2D Materials and Applications참고 문헌 62인용 수 149

한 줄 요약

2D 단일층의 Group IV 단염화물(GeS, GeSe, SnS, SnSe)은 거대 평면 내 강전기 극화가 강탄성 변형과 결합된 다강성 현상을 가지며, 상온에서 안정적이고, 변형에 의해 조정 가능하며, 기계-광전자 소자 개념이 유망하다.

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.

연구 동기 및 목표

• 미소형화된 소자(수변압기, 구동기, 센서, 태양전지, 비휘발성 메모리) 개발을 저차원에서 촉진한다.
• GeS, GeSe, SnS, SnSe에서 2차원 다강자 특성의 예측 및 특성을 규명한다.
• 탄성 변형 엔지니어링이 강탄성 및 강전기 질서를 어떻게 조절하는지 보여준다.
• 구현 가능한 소자 개념에 맞춘 평면 방향성 광학 응답 및 준입자 특성을 강조한다.

제안 방법

• 2D 단일층 Group IV monochalcogenides에서 다강자 질서를 예측하기 위해 일류 이론을 사용한다.
• 상온 및 그 이상에서의 열역학적 안정성을 시연한다.
• 평면 내 자발적 강전기 극화와 강탄성 결정 격자 간의 결합을 분석한다.
• 평면 내 이방성 및 큰 결합 에너지를 갖는 들여다보기 광흡수 스펙트럼과 준입자 갭을 계산한다.
• 소자 기능과 관련된 영역에서 에너지 및 이동 장애를 포함한 도메인 벽 특성을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 GeS, GeSe, SnS, SnSe 단일층이 상온에서 결합된 강전기 및 강탄성 질서를 호스트할 수 있는가?
• RQ2 이 2D 물질들에서 탄성 변형 엔지니어링이 다강자 질서와 전자구조를 어떻게 조절하는가?
• RQ3 평면 이방성에서 비롯되는 광학적 및 준입자 특성은 무엇이며 그것이 소자 기능을 어떻게 가능하게 하는가?
• RQ4 2D 강탄성-강전기 결합을 활용한 소자 개념은 무엇인가(예: 강전기 기억, 강탄성 기억, 강탄성-전기 광자 기억, 준입자 광전 소자 등)?

주요 결과

• GeS, GeSe, SnS, SnSe 단일층은 평면 내 강전기 극화와 강탄성 격자 변형이 강하게 결합된 2D 반도체 다강자임이 예측된다.
• 이들 2D 다강자들은 상온 및 그 이상에서 열역학적으로 안정하며 탄성 변형 엔지니어링으로 조절될 수 있다.
• 재료는 평면 내 강한 광학 이방성과 가시 스펙트럼 준입자 갭 및 상당한 준입자 결합 에너지를 보인다.
• 저 도메인 벽 에너지 및 작은 이동 장벽은 외부 전계를 통한 다강자 기능의 조절 가능성을 지지한다.
• 가능한 소자 개념으로 2D 강전기 기억, 2D 강탄성 기억, 2D 강탄성-전기 광자 기억, 2D 강전기 준입자 광전 소자 등이 있다.