西安交大研究人员在二维材料中发现层间滑移诱发铁电-反铁电相变新机制及其潜在应用

二维铁电材料因其自发的铁电极化和天然的纳米厚度，在微纳尺度的铁电功能器件中具有广泛的应用前景。非共价的层间范德华力使得二维材料能够较为容易地滑移和旋转，从而产生了一系列新奇的物理现象，为其铁电性质提供了新的调控维度。

近日，材料学院强度室邓俊楷教授同澳大利亚墨尔本大学Zhe Liu副教授合作，通过第一性原理计算，在具有皱褶结构的双层IV-VI族二维材料MX（M=Ge, Sn; X=S, Se）中发现了层间滑移诱发的面内可逆铁电-反铁电相变现象。深入分析发现，通常看似较弱的层间范德华力可以引起MX面内晶格发生畸变，在层间滑移过程中导致上层MX的面内共价键发生重构，诱发极化方向翻转，从而实现铁电和反铁电之间的相互转变。此外，基于该物理现象，提出了利用层间滑移诱发铁电-反铁电相变的纳米发电机模型。由于滑移过程中，能够产生高达40μC/cm2的铁电极化变化，同时借助二维范德华材料的超润滑特性，理论上可以产生巨大的电信号输出。计算表明其理论输出功率高于二维压电材料约四个数量级，表明了IV-VI族二维层状材料在纳米尺度的力电能量转换器件方面具有巨大的潜力。

本项研究成果最近以《二维IV-VI族化合物层间滑移中范德华力诱发的铁电-反铁电相变》(Van der Waals force-induced intralayer ferroelectric-to-antiferroelectric transition via interlayer sliding in bilayer group-IV monochalcogenides)为题发表在国际著名期刊《npj计算材料学》（npj Computational Materials, IF=12.241）上。这是西安交通大学材料学院邓俊楷教授和澳大利亚墨尔本大学Zhe Liu副教授在近年的合作研究中，在“二维智能材料”领域合作发表的第10篇研究论文（包括JACS论文2篇，Nat. Commun.论文1篇，npj Comput. Mater.论文2篇，Nanoscale论文1篇，PRB论文2篇，PRApplied论文1篇，APL论文1篇）。西安交通大学为本论文的第一作者和第一通讯单位，论文第一作者为材料学院博士生徐博。本项研究得到了国家自然科学基金面上项目、港澳与海外学者合作研究基金项目，以及中央高校基本科研业务费等的资助。研究工作主要在西安交大高算平台上完成。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41524-022-00724-8