Advanced Materials:二维铁电材料最新进展综述:理论及应用研究

铁电材料的发现已有一个多世纪的历史,其最重要的特征就是具有两个或多个电极性稳定态,且各电极性稳定态之间可以通过施加特定的电场相互转换。一直以来铁电材料的研究吸引着众多领域的学者,这主要归因于其多样的物理机理以及丰富的材料性能。近几十年,微纳机电系统快速发展,系统组成中的各种功能器件微型化、低功耗等要求越来越高。同时,众多二维范德华(2D vdW)材料的成功制备为功能器件的微型化提供了更多的材料选择。在此背景下,2D铁电材料作为一种微纳尺度功能材料逐渐成为一个新的研究热点。

当铁电材料的厚度趋近于2D极限时,可能会出现一些新颖的材料特性,也可能会使得某些具有尺寸依赖性的材料特性变得更加显著,例如,退极化场、量子限域效应、隧穿效应等。此外,随着比表面积的增大,非对称表面原子层的影响逐渐增强。除了本征型2D铁电材料,研究者还探索了利用不同的外部手段实现2D材料晶格对称性破缺,进而诱导铁电极化,其中包括应变工程、缺陷工程、表面改性、界面工程、畴工程等。

随着研究的深入,越来越多的2D vdW材料被证明可以在单层或者数层厚度下保持铁电性。目前,理论和实验证实的典型2D vdW铁电材料包括:过渡金属双硫化物(MX2,M = W/Mo, X = S/Se/Te)、五族硫化物、层状钙钛矿、硒化铟(In2Se3)、铜铟磷硫(CuInP2S6)等。研究发现,这些2D vdW铁电材料在单层及数层厚度时,不仅可以保持铁电性,同时还具有丰富的材料性能,包括压电性、热电性、体光伏效应、自发的自旋极化、谷极化等。丰富的材料性能以及铁电极化对异质结电子特性的调控作用,使2D vdW铁电材料在智能微器件中具有巨大的应用前景。深圳大学曾昱嘉教授和深圳技术大学阮双琛教授及合作者设计了多种基于2D铁电材料的智能微器件,包括铁电场效应管、压电柔性传感器、铁电光电探测器、铁电电子自旋器件等。

2D铁电材料的研究还处在起步阶段,更多的本征型及诱导型材料还有待发现。更重要的是,由于尺寸极小,响应微弱,对其丰富材料特性的表征及物理机制的研究还面临着诸多挑战。尽管如此,我们有理由相信2D铁电材料将在下一代非易失性、低功耗纳米器件中扮演重要角色。

相关工作在线发表在Advanced Materials上。

论文信息:

Review on Recent Developments in 2D Ferroelectrics: Theories and Applications

Lu Qi, Shuangchen Ruan, Yu‐Jia Zeng

Advanced Materials

DOI: 10.1002/adma.202005098