二维铁电材料的理论研究简介

文/吕贤才

铁电材料是具有自发电极化的材料, 随着外电场的改变自发极化方向能发生反转。从发现铁电材料至今有几百年历史，我们的研究方向也在不断地发生变化，从三维铁电材料再到二维铁电材料，层状二维铁电材料在实验上的成功制备为实现原子尺度下的非易失调控提供了新的机遇和可能。也为寻找新的二维铁电铁材料提供了新的思路和方法。

1 简介

铁电材料是在某些温度范围里会发生自发极化，而自发极化在外电场作用效果下会改变方向，并且在有外力作用的情况下会使材料发生形变，而材料的内部此时会发生极化并在表面产生等量且电性相反电荷的功能性材料。上文介绍了铁电材料都有的性质，即为铁电性和压电性。铁电性展现为在某些温度范围里材料会发生自发极化。因为铁电材料晶体晶格中的正负电荷中心不重合，所以在没有施加外加电场的情况下电偶极矩也会产生，材料的极化从而产生，若有外加电场则会使自发极化的方向改变。压电性则是在有外力作用的情况下会使材料外部发生形变，材料的内部此时会发生极化并在表面产生等量的正负电荷，这其实体现了机械能和电能的互相转化的一种特性。任何铁电材料都有这两种性质。

2 铁电材料的发展历程

在几百年前，人们就发现了某些物质的一些特性和温度有关，它们在被加热时可以吸引其他轻小物质而引起了人们研究的兴趣。而Brewster在1824年最早观察到大多数矿石和罗息盐材料拥有热释电性[1]，在这个时期发现的热释电体没有一个是铁电体。在1880年法国人约·居里和皮·居里发现当对石英晶体施加压力时，石英晶体的某些表面会产生电荷，即出现电极化的现象[2]。居里兄弟把这种现象解释为压电效应并证实了它们，同时也解释了晶体受压力出现电荷的现象。但是他们没有向下进行更为细致的研究工作。1920年由法国人Joseph Valasek在罗息盐中发现其介电性能的特异性，并给出了罗息盐的铁电电滞回线[3],这是首次发现了铁电效应，因为在这个时期对铁磁体的磁性已经有了一定了解，“铁电性“就是来自于铁电体自发极化和铁磁体自发磁化的类比，再将发现的电滞回线和磁滞回线类比就把这种具有铁电性的材料叫做了”铁电材料”。从此正式开启了对铁电材料的研究。

而Busch在1935年对KH2PO4进行了细致的研究最终得出它是一种铁电体[4]。要值得注意的是，在同一时期发现的铁电材料大多都是含有氢键。在1941年Slater经过对含有氢键的铁电材料定量的研究后，他发表了铁电分子理论，认为大多数含氢键的物质材料都会有铁电性[5]。在后来由美国科学家发现BaTiO3中存在的铁电性[6]。以BaTiO3为代表的钙钛矿结构的铁电材料慢慢的被发现，而钙钛矿结构的铁电材料并没有含有氢键，这让人们意识材料具有铁电性并不是一定要有氢键。人们对铁电材料的认知也不断的在进步。1950年左右，人们发现了数百种铁电材料。

在20世纪80年代，由于铁电唯象理论、软膜理论的完善，铁电材料物理性质的研究逐渐稳定。发现的铁电材料不断在增加，到目前为止已经发现了数千种。

现在铁电元器件一直朝着微型化的方向发展，需要将铁电材料的厚度和尺寸制作为数十纳米甚至是几纳米的铁电薄膜。对于传统的铁电材料的临界现象一直需要解决。如钙钛矿类型的铁电材料尺寸减小至临界厚度过程中，表面束缚电荷导致的退极化场增强，同时静电屏蔽效应的减弱这两个因素导致铁电材料的铁电性逐步消弱甚至消失[7-10]。研究人员提出了许多办法，进行了大量的实验，但是一直不能完美的解决铁电性减弱的问题。

3 研究现状

上文提到因传统的三维的铁电材料在尺寸小于某个临界值的时候，自发极化就会被抑制。而这种情况在二维材料的不会出现。于是在二维材料里发现可用的铁电材料，铁电性减弱的问题可以用二维铁电材料的手段很好的解决。2004年英国曼彻斯特大学的Konstantin Novoselov和Ander Geim等人对石墨进行了研究，发现“石墨稀”材料[11]， 石墨烯的发现，开启二维材料的崭新世界。

二维材料已经引起了人们的巨大兴趣，成为一个崭新的研究领域，大量的二维材料比如少层的黑鳞[12]、过渡金属二卤代烷[13-14]等出现，近年来，对二维铁电材料的钻研使国内外科学家发现了很多实验成果。在国内，中国科学技术大学朱文光的研究小组在2017年利用第一性原理计算预测二维单层材料 In2Se3 具有稳定的面外自发极化[15]，在国外，由美国人Raffaele Resta 和他带领的成员在理论方面提出了现代极化理论[16-18]，而Burton J D 等人通过实验发现可以让石墨烯加羟基（-OH）结合成为二维铁电材料[19]。除此之外，还有二维铁电材料对气体吸附的调控[20]，还有一系列对二维铁电材料重要的发现[21-27] 。人们从不怕困难，越有难题也越吸引人们的探究。二维铁电材料在不久的将来一定会被大量应用于各个方面。

参考文献：

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（作者单位：郑州师范学院）