实现双层铁电性的一般理论

二维(2D)铁电体是一种具有自发和可逆电极化的平面材料，极为罕见，但对新型纳米电子学的发展极为有利。由于它们的铁电特性和薄的性质，它们可用于制造高性能、小型和灵活的设备，包括高密度非易失性存储器、光电子学、超低能量电子学和可穿戴技术。

复旦大学和上海齐智研究所的一个研究小组提出了双层堆叠铁电(BSF)理论，其中两个相同二维材料的堆叠层，具有不同的旋转和平移，表现出铁电性。这一理论发表在PhysicalReviewLetters中，可以为这些有利材料的合成提供信息，并提供关于如何设计相同2D材料的两个堆叠层以显示铁电性的通用指南。

“设计二维铁电体的一个有前途的策略是滑动铁电体，它结合了两个相同类型的单层，并通过调整它们的相对滑动量来产生极化，”负责这项研究的ChangsongXu和HongjunXiang告诉Phys.org。

“然而，采用这种概念的研究仍然停留在一种材料的研究阶段，这在很大程度上阻碍了这一领域的进步。因此我们提出了用群论探索双层堆叠铁电性的所有可能性的想法，从而研究人员可以很容易地从相应单层的对称性中分辨出双层的偏振方向。”

为了设计他们的双层堆叠铁电性的一般理论，他们使用所谓的群论系统地分析了一系列二维材料群，群论是一种用于研究特定对象集合的抽象代数理论。这使他们能够查明支撑双层结构中对称性产生和消失的规则，同时还确定了产生BSF的可能组合。

“材料通常以特定的对称性结晶，例如镜面和旋转轴，可用于对材料进行分类，”Xu和Xiang解释道。“对于单层，层组(有80个)涵盖了所有类型的材料。我们的一般理论适用于将两个单层堆叠成双层并检查是否存在电极化的情况。”

研究人员的理论解释了最近关于滑动铁电的理论和实验发现。它还表明，在二维铁电体中，双层的电极化方向可能与单层的电极化方向完全不同。例如，如果两个中心对称的非极性单分子层正确堆叠，双层可能会变成铁电体。

“我们获得了破坏单层原始对称操作和在双层中出现新对称操作的一般规则，”Xu和Xiang说。“我们的双层堆叠铁电性的一般理论涵盖了双层铁电性的所有可能性。有了这样的理论，给定任何单层的层组，就可以知道什么样的堆叠操作会在相应的双层中产生铁电性，以及铁电体沿着哪个方向极化点。”

为了证明他们的一般理论的有效性，研究人员进行了一系列模拟。这些模拟预测可以使用堆叠策略将铁电性引入原型2D铁磁中心对称材料CrI3中。

他们还表明，该双层系统中的面外电极化与面内电极化互锁。换句话说，堆叠的CrI3双层系统的面外极化可以通过向其施加面内电场来控制。

Xu、Xiang和他们的同事介绍的双层堆叠铁电体的一般理论可以很快指导旨在创造双层铁电体的新研究。这反过来可以促进基于这些有前途的二维材料系统的新型高性能设备的开发。

“一方面，所提出的一般理论表明产生双层铁电的许多可能性，因此将这种理论应用于各种二维系统将很有吸引力，”Xu和Xiang补充道。“另一方面，群论方法在二维铁电中的成功应用鼓励我们用它来预测其他迷人的物理性质。”