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二维铁电/多铁材料的第一性原理设计以及多功能应用

杨庆  
【摘要】:多铁性材料是指同时具有两种或两种以上铁性((反)铁磁性、铁电性、铁弹性)有序的材料,且这些有序参数可在外部刺激下切换,这类功能材料在多种领域(新型磁电器件、非易失性存储以及自旋电子器件等)具有巨大的应用前景。过去关于多铁性材料的研究主要是在钙钛矿材料中,此后薄膜型钙钛矿材料备受关注。另一方面,自2004年石墨烯被成功剥离以来,一大批二维材料被人们发现,具有原子厚度的二维材料为铁电性研究提供了新的可能。从应用角度考虑,如果存在原子尺度的薄铁电材料,将使高密度数据存储成为可能。由于二维材料与三维半导体之间是通过范德华相互作用,使得外延生长过程中的晶格失配成为可能,而“电写+磁读”的方案在二维多铁性材料中更容易实现。在本文中,我们围绕多铁性材料开展一系列理论研究,不仅设计出一系列具有磁电耦合的低维多铁性材料,还尝试将铁电性和光伏材料进行结合,寻找同时具有铁电性和优异光伏效应的材料。(1)我们通过第一性原理计算发现卤素修饰的磷烯体系是二维多铁性无金属材料,该体系中具有垂直的铁电极化以及“可移动”的磁性。当我们用垂直电场驱动铁电极化翻转的同时,磁性也会随着铁电方向变化而移动。当这类材料被设计成多铁隧道结时具有很高的开关比,因此对于实现非易失性存储具有很大优势。由于共价键结合与离子键结合的铁电体相比具有不同的特征,使其在退极化场中仍具有强健的垂直极化,这一优异特性可以扩展到其它范德华双层结构中来实现非易失性存储。(2)我们提出一种新型的单分子铁电体和多铁体的设计,这种体系中每个分子可以存储一个比特的数据,可用作超高密度的存储器。存储密度突破传统存储器的限制,高达10~6 GB/in.~2。(3)我们通过计算揭示WTe_2双层及多层中垂直极化的起源:即垂直极化是由于平面内的平移引起层间垂直电荷转移,层间滑移能够翻转铁电极化。类似的层间滑移铁电性可能存在于一系列范德华双层或者块体材料中。(4)我们根据理论计算设计出一系列新型的功能化有机无机杂化钙钛矿(HOIPs),其中钙钛矿的阳离子都是具有氧族元素的。我们还发现与MAPbI_3相比,这些HOIPs的形成过程释放更多的能量,说明这些材料可能在溶液中简单地合成。我们还发现在这些新型的HOIPs中,当质子与分子结合时,由于形成的阳离子具有自发偶极矩使得材料具有铁电性;许多材料不仅具有在0.9-1.6 e V的最佳范围内的直接带隙,而且还具有比MAPbI_3更理想的光吸收谱。


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