先進(jìn)電子與智能天線(xiàn)團(tuán)隊(duì)黃浦副教授在二維纖鋅礦鐵電相變和外場(chǎng)調(diào)控研究方面取得最新進(jìn)展，相關(guān)結(jié)果以“Giant spin splitting and in-plane multiferroicity in wurtzite monolayer hidden phases”為題發(fā)表于npj Computational Materials期刊，深圳大學(xué)為第一單位。

纖鋅礦（0001）晶面的對(duì)稱(chēng)性破缺機(jī)制與隱藏的鐵電相

以III-V族材料為代表的纖鋅礦（wurtzite, wz）化合物半導(dǎo)體因其獨(dú)特的四面體配位結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的本征性能，在電子學(xué)、壓電電子學(xué)和光子學(xué)等領(lǐng)域中發(fā)揮著重要作用。wz晶體天然缺乏中心對(duì)稱(chēng)性，因而具有顯著的壓電效應(yīng)與自發(fā)極化，同時(shí)具備高載流子遷移率，優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，并與傳統(tǒng)半導(dǎo)體工藝兼容，使其成為高頻與射頻器件、功率電子器件、非易失性存儲(chǔ)以及存算一體架構(gòu)芯片的核心材料體系。然而，wz材料的鐵電應(yīng)用受限于較高的極化翻轉(zhuǎn)勢(shì)壘和接近介電擊穿極限的矯頑電場(chǎng)。為降低鐵電翻轉(zhuǎn)勢(shì)壘，目前主要有兩條研究路徑：一是通過(guò)合金化、摻雜或應(yīng)變工程來(lái)改性已有的wz材料（如AlN、ZnO）；二是探索具有本征低翻轉(zhuǎn)勢(shì)壘的新型wz型化學(xué)體系。該團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)，受到結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)性的限制，六角相在（0001）晶面只允許面外極化。要實(shí)現(xiàn)真正的面內(nèi)鐵電，需要進(jìn)一步破壞旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)性和鏡面對(duì)稱(chēng)性，使正負(fù)電荷中心沿橫向產(chǎn)生有效分離。

針對(duì)wz材料應(yīng)用面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)，該團(tuán)隊(duì)提出了一條適用于wz（0001）晶面實(shí)現(xiàn)面內(nèi)鐵電極化的對(duì)稱(chēng)性破缺判據(jù)，并基于優(yōu)化的第一性原理分子動(dòng)力學(xué)方法，對(duì)可能的晶面原子構(gòu)型進(jìn)行了系統(tǒng)搜索，篩選出一系列二維極性鐵電相。利用這一策略，團(tuán)隊(duì)共識(shí)別出15種二維wz結(jié)構(gòu)，包括11種鐵電相和4種中心對(duì)稱(chēng)相。其中，兩種此前未知的鐵電相Abm2和Pmc21不僅處于最低能量狀態(tài)，還可通過(guò)（0001）晶面的原子滑移實(shí)現(xiàn)二維結(jié)構(gòu)剝離，其剝離能最低可達(dá)0.012 eV/?2，與典型的范德華材料相當(dāng)。這些二維wz材料不僅呈現(xiàn)出多種鐵性序，還展現(xiàn)出優(yōu)異的電子和自旋特性，包括巨大的自旋劈裂，超高的載流子遷移率，半金屬與半導(dǎo)體之間的可逆轉(zhuǎn)變，覆蓋0–4.57 eV的寬帶隙范圍，以及24種非易失鐵電態(tài)（4.58 bit/unit）。更重要的是，二維wz材料的面內(nèi)鐵電相變可通過(guò)過(guò)渡態(tài)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)控，使鐵電翻轉(zhuǎn)勢(shì)壘降低至3 meV/atom、矯頑電場(chǎng)降至0.6–1.0 MV/cm，并實(shí)現(xiàn)對(duì)帶邊100%自旋極化的全電學(xué)操控。該研究不僅揭示了wz體系中面內(nèi)鐵電的基本物理機(jī)制，也呈現(xiàn)了二維wz材料在鐵電/多鐵電子學(xué)與自旋電子學(xué)器件中的巨大應(yīng)用潛力。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41524-025-01884-z