FUTURE | 远见 闵青云 选编
2024年9月27日，Nat. Commun.在线发表了浙江大学陆赟豪教授和苟健研究员课题组的研究论文，题目为《Lone-pair activated ferroelectricity and stable charged domain wall in Bi monolayer》，论文的第一作者为Shulin Zhong。
通常，铁电材料是由两种或两种以上不同组成元素组成的化合物。相比之下，由于单质晶胞中的原子是相同的，有序的电偶极甚至铁电极化似乎很难自发形成。首次在单元素材料，即二维As、Sb和Bi中预测了铁电性。最近对高质量Bi单层的实验证实了这一预测。此外，还预测了超薄元素Va族（P、As、Sb和Bi）纳米管阵列的面外和面内铁电性共存。元素单层铁电性的起源通常被认为是亚晶格之间的电荷转移，这在pz轨道上产生孤对，并导致面内极化的褶皱极性结构。然而，孤对的形成机制和Va族元素之间不同褶皱高度的来源仍不清楚。
在此研究中，作者阐明了这一奇特现象的起源。基于第一性原理计算和非接触原子力显微镜（nc-AFM）测量，研究发现孤对和空反键轨道之间的耦合激活了Va族单元素单层中的铁电性，这也决定了稳定180° c-DWs的形成。DWs的静电能通常是主要的贡献，但在Bi单层中并不重要。相反，这里的DW能量是由局域应变能主导的。由于其孤对感应铁电的特殊性质，研究发现180° c-DWs实际上具有最低的应变能成本，因此它们本质上是这些元素铁电体（单层Sb、Bi）中最稳定的DWs构型。这解释了实验中观察到它们的受欢迎程度。基于这一认识，预测约1%的小压缩应变可以将最稳定的DW类型从180° c-DWs改变为90°非带电畴壁（n-DWs）。计算出DWs周围的应变图也与nc-AFM测量结果很好地匹配。这项研究工作揭示了本征c-DWs的形成机制，这可能对DWs设计和器件应用具有重要意义。
图1 单元素单层的轨道相互作用
图2 DWs的静电能和应变能
图3 180° DW的轨道相互作用
图4 DWs的应变应用
论文链接
Zhong, S., Zhang, X., Gou, J. et al. Lone-pair activated ferroelectricity and stable charged domain wall in Bi monolayer. Nat. Commun., 2024, 15, 8322. https://doi.org/10.1038/s41467-024-52643-5
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[2] Xiao, C., Wang, F., Yang, S. et al. Elemental ferroelectricity and antiferroelectricity in Group-V monolayer. Adv. Funct. Mater., 2018, 28, 1707383. https://doi.org/10.1002/adfm.201707383
