全文速递-先进材料多尺度力学

  近日，西安交通大学航天航空学院刘益伦教授团队在计算材料领域国际知名期刊《npj Computational Materials》发表了题为《Breaking the synchrony of sliding ferroelectricity and sliding energy barrier》的研究论文。本文聚焦于二维滑移铁电材料的面外极性与滑移能垒特性，采用第一性原理揭示了两者之间的起源以及耦合特性，并且通过高通量计算筛选了超过300种潜在的滑移铁电材料。

内容概述

双层二维（2D）范德华材料在层间滑移过程中会发生对称性破缺，展现出独特的滑移铁电特性。高性能滑移铁电器件关键特征是兼具较大的面外极化切换量和较小的滑移能垒，然而由于滑移诱导的面外极化和滑移能垒均受界面电荷转移的调控，这两个关键参数通常表现出内在的耦合关系。

本研究基于密度泛函理论（DFT）对已报道的滑移铁电材料进行了系统分析，发现垂直于滑移方向的界面差分电荷转移是关联滑移铁电性与滑移能垒的核心物理量。具体而言，滑移产生的面外极化正比于由非对称分布的界面差分电荷形成的界面偶极矩，而滑移能垒则与界面差分电荷转移的绝对值呈正相关 （图1）。基于原子对极化理论，我们解释了为何由范德华单层材料衍生的同质结（如 h-BN、GaN、SiC）相比于过渡金属二硫化物（TMDs）通常具有更强的面外极化。

我们进一步结合高通量筛选方法，提出滑移铁电性能预测描述符，在 2000 余种热力学稳定的范德华单层材料中识别出 321 种具有潜在滑移铁电特性的候选材料，发现滑移能垒与界面差分电荷改变量之间存在显著正相关关系，其中 45 种性能优于MoS₂（图2）。此外，我们进一步发现莫尔超晶格结构可有效抑制整体界面电荷净转移，从而显著降低滑移能垒，甚至实现近零能垒的同时仍保持局部面外极化切换（图3）。本研究揭示了滑移铁电性的原子尺度起源，并为低功耗、高可靠性新一代铁电器件的设计提供了新的理论依据和思路。

图1. 双层二硫化钼中滑移能垒与滑移铁电性的内在耦合性。（a）三种高对称堆垛的界面差分电荷。（b，c）滑移能垒与界面电荷改变量的同步演化。（d，e）滑移铁电与界面电荷偶极矩的同步演化。（f，g）不同层群中铁电材料的同步演化。

图2.（a）高通量筛选二维范德华铁电材料示意图。（b）不同层群中铁电材料的滑移能垒与界面电荷改变量的正相关性。（c）滑移铁电对滑移能垒的依赖性。（d）滑移铁电对滑移能垒与内聚能之比的依赖性。

图3. 双层h-BN和Gra/h-BN的莫尔铁电的极化切换。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41524-025-01794-0

关于作者

  论文第一作者为该课题组博士研究生梁启浩，通讯作者为西安交通大学航天航空学院覃华松副教授和刘益伦教授。上述工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费、陕西省科协青年托举人才计划和陕西省科学研究计划等项目的资助。

  同时，欢迎各位同学了解西安交通大学航天航空学院空天装备数智力学团队。团队负责人是国家杰出青年基金获得者刘益伦教授，骨干成员包括国家级青年人才岳圣瀛教授，国家级青年人才刘思达教授，覃华松副教授、潘周周副教授、张钱城副教授、张志家副教授、陈炎助理教授、李玉书助理教授。团队致力于空天装备智能设计、分析、制造一体化。团队拥有先进的实验仪器设备、丰富的计算资源、理论功底扎实、科研氛围融洽，欢迎优秀本科生前来攻读硕士研究生、博士研究生。