Двумерные (2D) сегнетоэлектрики, плоские материалы, обладающие спонтанной и обратимой электрической поляризацией, встречаются крайне редко, но могут оказаться чрезвычайно полезными для развития новой наноэлектроники. Благодаря своим сегнетоэлектрическим свойствам и тонкой природе их можно использовать для создания высокопроизводительных, небольших и гибких устройств, включая энергонезависимую память высокой плотности, оптоэлектронику, электронику со сверхнизким энергопотреблением и носимые технологии.

Исследовательская группа из Фуданьского университета и Шанхайского института Ци Чжи предложила теорию двухслойного сегнетоэлектричества (BSF), в которой два сложенных слоя одного и того же двумерного материала с разным вращением и перемещением демонстрируют сегнетоэлектричество. Эта теория, представленная в журнале Physical Review Letters , может дать информацию для синтеза этих полезных материалов и предложить обобщающее руководство о том, как можно спроектировать два сложенных слоя одного и того же двумерного материала, чтобы они проявляли сегнетоэлектричество.

«Многообещающей стратегией в разработке двумерных сегнетоэлектриков является скользящее сегнетоэлектричество, которое объединяет два монослоя одного типа и создает поляризацию, настраивая степень их относительного скольжения», — рассказали Phys.org Чансонг Сюй и Хунцзюнь Сян, руководившие исследованием.

«Однако исследования, принимающие такую концепцию, все еще остаются на стадии изучения материалов один за другим, что в значительной степени препятствует прогрессу в этой области. Таким образом, у нас возникает идея исследовать все возможности двухслойной укладки сегнетоэлектричества с теорией групп, чтобы исследователи могут легко определить направление поляризации бислоя по симметрии соответствующего монослоя».

Чтобы разработать свою общую теорию двухслойного сегнетоэлектричества, они систематически проанализировали серию двумерных материальных групп, используя так называемую теорию групп, абстрактную алгебраическую теорию для изучения наборов конкретных объектов. Это позволило им точно определить правила, лежащие в основе создания и уничтожения симметрии в двухслойных структурах, а также определить возможные комбинации, которые могут привести к BSF.

«Материалы обычно кристаллизуются в определенных симметриях, таких как плоскость зеркала и ось вращения, которые можно использовать для классификации материалов», — объяснили Сюй и Сян. «Для монослоев это группы слоев (их 80), которые охватывают все типы материалов. Наша общая теория применима, когда кто-то хочет сложить два монослоя в бислой и проверить, существует ли электрическая поляризация».

Теория исследователей объясняет недавние теоретические и экспериментальные открытия в области скользящего сегнетоэлектричества. Это также показывает, что в двумерных сегнетоэлектриках направление электрической поляризации двойного слоя может полностью отличаться от направления одиночного слоя. Например, бислой может стать сегнетоэлектрическим, если правильно сложить два центросимметричных неполярных монослоя.

«Мы получаем общие правила разрушения исходных операций симметрии монослоя и появления новых операций симметрии в бислое», — сказали Сюй и Сян. «Наша общая теория двухслойного сегнетоэлектричества охватывает все возможности двухслойного сегнетоэлектричества. С помощью такой теории, учитывая группу слоев любого монослоя, можно сказать, какие операции суммирования приведут к сегнетоэлектричеству в соответствующем бислое и в каком направлении сегнетоэлектрические точки поляризации».

Чтобы продемонстрировать эффективность своей общей теории, исследователи провели серию симуляций. Это моделирование предсказало, что сегнетоэлектричество может быть введено в прототипный двумерный ферромагнитный центросимметричный материал CrI 3 с использованием стратегии наложения.

Они также показали, что внеплоскостная электрическая поляризация в этой двухслойной системе сблокирована с плоскостной электрической поляризацией. Другими словами, внеплоскостной поляризацией многослойной двухслойной системы CrI 3 можно управлять, прикладывая к ней плоскостное электрическое поле.

Общая теория двухслойного сегнетоэлектричества, представленная Сюй, Сяном и их коллегами, вскоре может стать руководством для новых исследований, направленных на создание двухслойных сегнетоэлектриков. Это, в свою очередь, может облегчить разработку новых высокопроизводительных устройств на основе этих многообещающих систем 2D-материалов.

«С одной стороны, предлагаемая общая теория указывает на множество возможностей для создания двухслойного сегнетоэлектричества, и поэтому будет интересно применить эту теорию к различным двумерным системам», — добавили Сюй и Сян. «С другой стороны, успешное применение метода теории групп к двумерному сегнетоэлектричеству побуждает нас использовать его для предсказания других интересных физических свойств».