实现双层堆叠铁电的一般理论

二维(2D)铁电体是具有自发和可逆极化的平面材料，非常罕见，但对于新纳米电子学的发展非常有利。由于其铁电特性和薄特性，它们可用于制造高性能、小型和灵活的器件，包括高密度非易失性存储器、光电子、超低能耗电子产品和可穿戴技术。

复旦大学和上海启智研究所的一个研究小组提出了双层堆叠铁电性(BSF)理论，其中相同2D材料的两个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《物理评论快报》上，可以为这些有利材料的合成提供信息，并为如何设计相同2D材料的两个堆叠层以展示铁电性提供可推广的指南。

“设计2D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，”监督这项研究的Changsong Xu和Hongjun Xiang告诉 Phys.org。

“然而，采用这种概念的研究仍然停留在逐一审查材料的阶段，这在很大程度上阻碍了该领域的进展。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，以便研究人员可以轻松地从相应单层的对称性中分辨出双层的极化方向。

为了设计他们的双层堆叠铁电的一般理论，他们使用所谓的群论系统地分析了一系列2D材料群，这是一种用于研究特定对象集合的抽象代数理论。这使他们能够确定支撑双层结构中对称性创建和湮灭的规则，同时还确定了可能产生BSF的组合。

“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解释说。“对于单层，层组(有80个)涵盖了所有类型的材料。当人们想将两个单层堆叠成双层并检查是否存在电极化时，我们的一般理论适用。

研究人员的理论解释了最近关于滑动铁电性的理论和实验发现。它还表明，在二维铁电体中，双层的极化方向可能与单层的极化方向完全不同。例如，如果两个中心对称的非极性单层正确堆叠，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双层中出现新对称操作的一般规则，”徐和翔说。“我们的双层堆叠铁电体的一般理论涵盖了双层铁电体的所有可能性。有了这样的理论，给定任何单层的层组，人们可以判断什么样的堆叠操作将导致相应的双层中的铁电性以及铁电极化点沿哪个方向。

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。这些模拟预测了铁电性可以在原型二维铁磁中心对称材料CrI中引入3使用堆叠策略。

他们还表明，该双层系统中的面外极化与面内极化互锁。换句话说，堆叠CrI的面外极化3双层系统可以通过对其施加面内电场来操纵。

Xu，Xiang及其同事引入的双层堆叠铁电体的一般理论可能很快就会指导旨在创建双层铁电体的新研究。这反过来又可以促进基于这些有前途的2D材料系统的新型高性能设备的开发。

“一方面，提出的一般理论表明了创建双层铁电体的许多可能性，因此将这种理论应用于各种2D系统将是有吸引力的，”Xu和Xiang补充道。“另一方面，群论方法在二维铁电性中的成功应用鼓励我们用它来预测其他迷人的物理特性。