二维材料电极化性质调控的理论研究

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铁电/压电材料被广泛应用非易失性存储器、传感器等电子器件,而超高集成度微电子器件的不断发展对器件小型化,存储密度、读写速度和功耗的要求越来越高,这就要求铁电/压电材料薄膜的厚度要越来越薄。然而当铁电/压电材料的厚度降低到一定极限时,显著增强的退极化场反过来会抑制铁电/压电材料的性能,并且降低铁电/压电畴的稳定性。这就极大地限制了器件小型化的发展。而近期被理论和实验预测和证实的二维铁电材料为解决这一问题提供了全新的思路。筛选和设计具有优异性能的二维铁电/压电材料是目前国际学术前沿的研究热点。本文以二维IV-VI族三元化合物和二维Janus型过渡金属硫化物材料为研究对象,通过第一性原理计算系统研究了二维IV-VI族三元化合物的铁电性能调控和二维Janus型过渡金属硫化物材料的负压电性质。主要研究内容包括以下几个方面:(1)二维IV-VI族三元化合物铁电性质调控的理论研究。室温超薄铁电材料是实现高密度,非易失性存储器件核心部件。然而当铁电薄膜厚度降低到原子层厚度时,受到显著增强的退极化场的影响,材料的铁电性将降低甚至消失。而最近报道的二维(2D)铁电体Sn Te(Science,2016)为实现原子层厚度的铁电性能提供了一种新的思路。基于第一性原理计算,我们设计了几种具有较大室温铁电极化和良好的动力学和热力学稳定性的二维IV-VI族三元化合物。结果表明,二维IV-VI族三元化合物M2XY(M=Ge,Sn;X/Y=S,Se)和ABN2(A/B=Ge,Sn;N=S,Se)的极化值可在3.82-5.03*10-10C/m的范围进行有效调节。我们通过声子谱计算证实了这几种二维IV-VI族三元化合物的动力学稳定性。第一性的分子动力学模拟进一步表明这些三元化合物的铁电有序性可以在室温下稳定保持。该工作表明了二维IV-VI族三元化合物可以有效调节二维铁电材料的极化性质。(2)二维Janus型过渡金属硫化物材料中的负压电效应的理论研究。负的压电效应是指在施加外加电场时材料会产生收缩的现象,这种效应在实验上仅在几种材料中被发现。在本文中我们通过第一性原理的方法,预测二维Janus型过渡金属硫化物MXY(M=Hf,Rh,or Zr;X/Y=S,Se,or Te,and X≠Y)材料中部分结构具有新颖的负的面内压电系数。此外我们还通过声子谱计算确认了我们所提出的九种结构中的四种构型具有良好的动力学稳定性。这为今后实验上合成该种材料提供理论支撑,也为进一步设计新的负压电效应材料提供了新的思路。
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