Advanced Electronic Materials:具有面外垂直极化的新型二维材料:LiAlTe2

具有面外垂直极化的二维铁电材料由于其存在垂直表面的偶极矩,在高密度电子信息存储领域有广阔的应用前景。常规的铁电材料以自发极化作为铁电相变的初级序参量,通常相变来源于高对称非极化参考相的光学声子不稳定,使其存在两个等价、具有不同极化方向的自发极化态。通过外电场的耦合作用可在两个相反的自发极化态之间切换,从而使铁电材料可以作为存储数据的编码比特。然而当铁电极化材料尺寸小于电荷屏蔽长度,其退极化效应未被完全屏蔽,极化能量的显著增加将占主导作用,从而阻止其低维铁电相的形成。因而具有面外垂直极化的二维铁电材料通常不容易稳定,非常少有,这为二维铁电材料应用于高密度电子信息存储提供了障碍。

吉林大学张立军课题组通过基于物理原则的第一性原理计算材料设计,发现了一类具有面外垂直极化的新型二维材料:LiAlTe2。课题组刘准博士(吉林大学材料科学与工程学院助理研究员)为论文第一作者,与美国密苏里大学的David J. Singh教授合作完成该研究。研究的物理原则是共价极性半导体材料由于其部分共价键合特征能有效稳定极化相变增加的能量,从而在材料中可能实现表面或界面极化稳定的二维薄膜。针对共价极性半导体材料LiAlTe2,课题组结合热力学结构搜索和动力学稳定性分析,发现其二维层状相虽为亚稳相,但在实验上能够被合成制备。同时发现层状LiAlTe2 被剥离成单层后,呈现出显著的面外垂直极化特性。其中新发现的单层γ- LiAlTe2由于Li原子沿垂直方向的移动能形成两个局域能量低、极化方向相反的自发极化态。通过施加电场或面内应变能进一步调节两个极化态的相对能量及其转变势垒,从而实现铁电极化的可切换特性。而且,由于γ- LiAlTe2与α -GeTe的晶格基本匹配特性,可通过设计γ- LiAlTe2/α –GeTe 异质结来构建新型电阻切换器件:Li原子的界面垂直位移能产生两个局域能量低、极化方向相反的自发极化态,并且这两个极化态分别具有半导体和金属的电子结构特征。该研究结果不仅发现了一类具有面外垂直极化的新型二维材料,同时也为设计新型二维电阻切换器件和界面相变记忆材料提供了新的研究思路。

相关论文以“Switchable out-of-plane polarization in two-dimensional LiAlTe2”为题发表在Advanced Electronic Materials (DOI: 10.1002/aelm.201900089)上。