[论文解读] Sliding induced multiple polarization states in two-dimensional ferroelectrics

Peng Meng, Yaze Wu+14 more|arXiv (Cornell University)|Nov 10, 2022

2D Materials and Applications被引用 14

一句话总结

本研究证明，3R MoS2 中的层厚调控了滑动诱导的铁电性，揭示了多层体系中异常的中间极化态。通过双栅场效应晶体管和从头算计算，作者提出了一种广义模型，表明层间偶极子耦合与层依赖的对称性破缺可实现超越传统开关的多种极化态，为二维铁电器件提供了新的设计范式。

ABSTRACT

When the atomic layers in a non-centrosymmetric van der Waals structure slide against each other, the interfacial charge transfer results in a reversal of the structures spontaneous polarization. This phenomenon is known as sliding ferroelectricity and it is markedly different from conventional ferroelectric switching mechanisms relying on ion displacement. Here, we present layer dependence as a new dimension to control sliding ferroelectricity. By fabricating 3R MoS2 of various thicknesses into dual-gate field-effect transistors, we obtain anomalous intermediate polarization states in multilayer 3R MoS2. Using results from ab initio density functional theory calculations, we propose a generalized model to describe the ferroelectric switching process in multilayer 3R MoS2 and to explain the formation of these intermediate polarization states. This work reveals the critical roles that layer number and interlayer dipole coupling play in sliding ferroelectricity and presents a new strategy for the design of novel sliding ferroelectric devices.

研究动机与目标

• 研究层数在调控二维范德华材料中滑动铁电性方面的作用。
• 识别并表征多层3R MoS2中未在单层体系中观测到的中间极化态。
• 建立广义理论模型，解释通过层间偶极子耦合产生的多种极化态的起源。
• 展示层数量作为调控极化态的新型控制参数，用于工程化二维铁电体。
• 提出一种基于可调层间相互作用的新型滑动铁电器件设计策略。

提出的方法

• 制备具有可控层厚度（从单层到多层）的3R MoS2双栅场效应晶体管。
• 通过门电压调制测量极化滞后和中间态，以探测开关行为。
• 采用从头算密度泛函理论（DFT）计算，模拟电子结构、界面电荷转移及层间偶极子耦合。
• 分析原子层相对滑动过程中对称性破缺和界面电荷重分布。
• 开发一种广义铁电开关模型，整合层依赖的偶极子耦合与非对称堆叠效应。
• 将实验测得的极化态与理论预测相关联，以验证模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 3R MoS2中的层数如何影响滑动过程中中间极化态的出现？
• RQ2 多层3R MoS2中多种极化态的起源是什么，与单层铁电开关有何不同？
• RQ3 层间偶极子相互作用与对称性破缺如何促进中间极化态的稳定？
• RQ4 能否构建一个广义理论模型，以描述不同层数下的滑动铁电性？
• RQ5 层厚度在多大程度上可作为可调参数，用于工程化二维铁电体中的极化态？

主要发现

• 多层3R MoS2表现出单层体系中未观测到的异常中间极化态，表明其具有层依赖的开关机制。
• 中间极化态源于原子层相对滑动过程中的层间偶极子耦合与对称性破缺。
• 从头算DFT计算证实，界面电荷转移可反转极化方向，且层数可调制极化态的能量景观。
• 提出了一种广义模型，通过层间偶极子耦合与晶格对称性的相互作用，解释多种极化态的形成。
• 层数作为新型控制参数，可用于调节铁电开关行为，实现多种稳定的极化态。
• 研究结果表明，通过利用层依赖的滑动铁电性，可提出一种新型二维铁电器件设计策略。