二维铁电材料LaOBiS2的第一性原理研究

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铁电材料是一种具有自发的电极化现象,并且其极化方向可以通过施加外加电场来完成翻转的特殊材料,因而在信息存储器件、场效应器件、传感器件等诸多领域都具有很大的应用价值。当传统的钙钛矿铁电材料通过表面外延生长技术制成铁电薄膜时,其铁电性会因为退极化场的作用在某一临界厚度消失。相反,二维铁电材料因其结构特点使铁电性能够不受临界厚度的影响,因此成为近年来的研究热点之一。本文主要对二维铁电材料LaOBiS2及其同类化合物部分物理性质进行了研究,主要研究结果如下:基于第一性原理计算,我们发现了一种新型的二维铁电材料:三层(Triple-Layer,TL)LaOBiS2。TL-LaOBiS2具有1eV左右的直接能隙、超高的各向异性载流子迁移率以及优异的光学性质。在三明治结构的TL-LaOBiS2中,我们首次揭示出由于中间LaO层和两侧BiS2层的晶格失配会产生三种不同的极化畸变结构,它们分别对应着层间反铁电、铁电和正交电极化三种构型。我们发现其中铁电相TL-LaOBiS2具有17.4μC/cm2的极化强度且居里温度高达420K,因而可用于室温铁电存储器件,通过施加拉伸应变还可以进一步增强其铁电性能。此外,我们模拟了TL-LaOBiS2从反铁电相到铁电相的转变过程,其过渡势垒仅为6.5meV,这表明通过施加外电场的方法可以很容易实现从反铁电相到铁电相的转变。我们还通过同族元素替换研究了二维铁电材料TL-LaOBiS2的部分同类化合物的相关物性。我们发现相同结构的二维TL-LaOBiSe2、TL-LaOSbS2、TL-LaOSbSe2、TL-SrFBiS2四种材料中也都存在因为晶格不匹配导致的自发电极化现象。作为一种新的二维铁电材料,TL-LaOBiS2及其同类化合物在未来铁电器件应用中有着巨大的潜力。
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