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主要作者及机构、发表期刊与时间

该研究由Xian Wang、Peng Wang、Xiaoqing Liu、Xuesen Wang、Yunpeng Lu和Lei Shen共同完成，分别来自新加坡南洋理工大学、山东科技大学和新加坡国立大学。研究发表于ACS Appl. Mater. Interfaces期刊，2025年第17卷，页码为7164−7173。

学术背景

研究领域为二维材料中的滑动铁电性（sliding ferroelectricity）。铁电材料在非易失性存储器和微机电系统（MEMS）中具有重要应用，但传统三维铁电材料在微型化和低功耗方面面临挑战。二维材料因其独特的结构和电子特性，成为下一代铁电材料的有力候选者。滑动铁电性是一种新型铁电机制，通过层间滑动实现极化反转，为低功耗、高效率的电子器件提供了新机遇。然而，目前研究主要集中在同质双层材料上，异质双层滑动铁电材料的探索相对较少。本研究旨在通过高通量计算筛选具有高性能滑动铁电特性的过渡金属二硫化物（TMD）异质双层材料，并揭示其极化切换机制。

研究流程

研究分为以下几个步骤：
1. 材料筛选与建模：
- 基于实验表征的单层TMD材料，构建了870种TMD异质双层结构。
- 通过高通量计算，系统研究了这些异质双层在不同堆叠配置下的滑动铁电行为。
- 引入了一种新的描述符——Allen电负性差异幅度（δχm），用于预测具有滑动铁电特性的范德华异质双层材料。

1. 高通量计算与数据分析：

   • 使用维也纳从头算模拟包（VASP）进行第一性原理计算，采用密度泛函理论（DFT）框架。
     
   • 采用Perdew-Burke-Ernzerhof（PBE）泛函处理交换关联相互作用，并使用D3 Grimme方法准确描述层间范德华力。
     
   • 通过Berry-phase方法计算铁电极化，并结合Climbing Image Nudged Elastic Band（CI-NEB）方法确定极化切换的能垒。
     

2. 结果验证与优化：

   • 筛选出16种具有滑动铁电特性的半导体TMD异质双层材料，其中10种材料的垂直极化（OPP）值显著高于实验报道的MoS2/WS2系统。
     
   • 使用HSE06杂化泛函计算了这些材料的带隙，发现其带隙范围在0.60−1.80 eV之间，适合滑动铁电应用。
     

3. 机制分析与模型构建：

   • 通过差分电荷密度（DCD）和平面平均电荷密度分析，揭示了层间电荷转移（CT）对极化切换的关键作用。
     
   • 提出了材料电负性差异（δχm）与滑动铁电行为之间的关系，发现δχm值低于0.15的材料更可能表现出滑动铁电特性。
     

主要结果

1. 材料筛选结果：

   • 16种TMD异质双层材料被鉴定为具有滑动铁电特性，其中10种材料的OPP值比MoS2/WS2系统高出1个数量级，最大OPP值达到10倍于MoS2/WS2。
     
   • 这些材料的带隙范围在0.60−1.80 eV之间，适合半导体应用。
     

2. 极化切换机制：

   • 极化切换主要由层间滑动驱动，其强度和方向取决于TMD组合的层间相互作用变化。
     
   • 层间电荷转移（CT）对极化切换起关键作用，CT方向由材料电负性差异决定。
     

3. 能垒分析：

   • 所有16种异质双层材料的极化切换能垒均低于21 meV/f.u.，显示出高效的极化切换能力。
     
   • 其中，TiSe2/HfSe2、TiTe2/ZrTe2、ZrSe2/HfSe2和ZrTe2/HfTe2等材料的能垒低于15 meV/f.u.，表现出优异的性能。
     

结论与意义

本研究通过数据驱动的方法，提出了Allen电负性差异幅度（δχm）作为预测滑动铁电行为的有效描述符，并筛选出16种具有高性能滑动铁电特性的TMD异质双层材料。这些材料不仅具有较高的垂直极化值，还表现出低能垒和适合半导体应用的带隙。研究揭示了极化切换与材料电负性、电荷转移、堆叠模式和层间间距之间的密切关系，为设计和开发新型滑动铁电材料提供了理论框架。此外，这些材料在下一代低功耗纳米器件中具有广阔的应用前景，包括非易失性存储器、传感器和能量收集技术。

研究亮点

1. 重要发现：

   • 提出了Allen电负性差异幅度（δχm）作为预测滑动铁电行为的描述符，并验证了其有效性。
     
   • 筛选出10种TMD异质双层材料，其垂直极化值显著高于实验报道的MoS2/WS2系统。
     

2. 方法创新：

   • 结合高通量计算和第一性原理计算，系统研究了870种TMD异质双层材料的滑动铁电行为。
     
   • 开发了新的描述符δχm，为滑动铁电材料的设计提供了理论指导。
     

3. 研究对象的特殊性：

   • 聚焦于TMD异质双层材料，揭示了其滑动铁电行为的机制，为二维铁电材料的研究开辟了新方向。
     

其他有价值的内容

研究还探讨了界面粗糙度、温度和电场对滑动铁电材料性能的影响，为实验合成和器件优化提供了重要参考。此外，研究结果为进一步探索滑动铁电材料在量子计算和人工智能等新兴领域的应用奠定了基础。

这篇报告详细介绍了研究的背景、方法、结果和意义，为相关领域的研究者提供了全面的参考。