[论文解读] 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 149

一句话总结

该论文预测，2D 单层第IV族单硫族化物 GeS、GeSe、SnS、SnSe 作为具巨大面内铁电极化并耦合到 ferroelastic 晶格应变的多铁性材料，在室温稳定，可通过应变调控，并具有有前景的机-光-电子器件概念。

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.

研究动机与目标

• 在低维度下推动微型化器件（换能器、执行器、传感器、光伏、非易失性存储器）。
• 预测并表征 GeS、GeSe、SnS、SnSe 的二维多铁电行为。
• 展示弹性应变工程如何调控 ferroelastic 与 ferroelectric 序。
• 突出在面内各向异性的光学响应与激子特征，与器件概念相关。

提出的方法

• 使用第一性原理理论预测 2D 单层第IV族单硫族化物中的多铁性序。
• 证明在室温及以上的热力学稳定性。
• 分析面内自发铁电极化与 ferroelastic 晶格应变之间的耦合。
• 计算具有面内各向异性的光学吸收光谱和具有可观结合能的激子带隙。
• 评估域壁性质，包括能量和迁移势垒，以及其与器件功能的关系。

实验结果

研究问题

• RQ1 GeS、GeSe、SnS、SnSe 单层在室温下是否可承载耦合的铁电与 ferroelastic 序？
• RQ2 弹性应变工程如何调控这些 2D 材料的多铁性序与电子结构？
• RQ3 面内各向异性带来的光学与激子特征是什么，如何使器件具备功能？
• RQ4 可利用的 2D ferroelasto- 与 ferroelectric 耦合的器件概念有哪些（例如铁电存储、 ferroelastic 存储、 ferroelasto-electric 光信存储、激子光伏等）？

主要发现

• GeS、GeSe、SnS、SnSe 单层被预测为具强耦合的面内铁电极化与 ferroelastic 晶格应变的二维半导体多铁性材料。
• 这些二维多铁性材料在室温及以上热力学稳定，并可通过弹性应变工程进行调控。
• 材料展现出强烈的面内光学各向异性，具有可见光谱的激子带隙和可观的激子结合能。
• 预测的低域壁能与较小的迁移势垒支持通过外场实现多铁性功能的可调控性。
• 潜在器件概念包括二维铁电存储、二维 ferroelastic 存储、二维 ferroelasto-electric 非易失性光存储，以及二维铁电激子光伏。