二维Bi烯铁电纳米带的尺寸限制与极化调控

单质二维Bi烯铁电体的铁电极化仅由电子贡献，电子结构的稳定对其铁电极化至关重要。本文基于第一性原理计算，系统性的研究了Bi烯纳米带中的铁电极化，发现了边缘效应造成了Bi烯铁电极化的尺寸（宽度）限制。宽度的减小导致锯齿型（zigzag）和扶手椅型（armchair）纳米带分别由于退极化场和边缘应力的作用自发转变为顺电相纳米带。受应力诱发相变的启发，我们采用应变工程的方式实现了纳米带铁电相和顺电相之间的转变以及相关的超高压电性能，这可能为二维铁电器件带来新的应用。

传统的铁电材料往往是两种或以上元素组成的化合物。最近，单质二维Bi烯由于不完全的 sp ³ 杂化，引起了特殊的晶格畸变以及Bi原子间的电荷转移，打破了晶格对称性，诱发出奇异的单元素铁电性。同时，Bi烯的强自旋轨道耦合效应（SOC）与铁电性相耦合，使之成为特殊的二维铁电拓扑绝缘体，有望在新型自旋电子器件中得到应用。然而，材料的本征界面缺陷（晶界、畴界、自由表面等）可以显著影响材料的电子结构，例如钙钛矿型铁电薄膜材料由于表面束缚电荷改变表面态电子结构，因而导致铁电性的尺寸限制。类似于体材料的表面，二维材料存在的边缘（edges）是一种典型的结构缺陷。边缘原子的环境和成键方式与内部有很大的不同，宽度的变化也可以调控材料的电子结构及相关物理性能。因此，研究边缘对二维Bi烯电子结构以及铁电极化的影响（尺寸限制）并揭示其物理机制，对元素铁电体Bi烯的实际应用具有重要意义。

西安交通大学邓俊楷教授课题组与澳大利亚墨尔本大学刘哲教授合作，针对不同边缘类型的Bi烯纳米带为研究对象：

（1）发现了随着宽度的减小，Bi烯铁电纳米带由于较强的边缘效应自发转变成一种未见报导的全新高对称顺电相结构，其自发极化消失；

（2）理论计算证明扶手椅型（armchair）纳米带自发相变的驱动力是边缘应力，这与通常所认为的局部效应不同，表现出边缘应力甚至能够诱发纳米带整体结构发生转变的新奇现象；

（3）通过应变工程，实现了Bi烯纳米带铁电相和顺电相之间的应变调控，并在相变点附近发现了巨大的压电效应。

进一步研究表明，对于锯齿型（zigzag）纳米带，极化不连续造成的退极化场主导了纳米带的相变（图3(a)），这与传统钙钛矿薄膜的尺寸限制类似。而在扶手椅型（armchair）纳米带中，边缘应变对纳米带的相变起了主导作用（图3(b)）。

同时，纳米带的铁电相变存在显著的尺寸效应：当纳米带较窄时，边缘效应使纳米带克服能垒，转变成更稳定的顺电相纳米带；当纳米带较宽时，纳米带的铁电和顺电结构存在势垒，可以通过应变诱发顺电相和铁电相之间的转变（图4）。并且，不同宽度的纳米带的相变临界点附近均出现了巨大的压电效应，其压电系数（ e ₂₂ ）约为49×10 ^-10 ~149×10 ^-10  c/m。

综上所述，本文利用第一性原理系统性研究了边缘效应对Bi烯纳米带铁电极化的影响，发现了较窄纳米带的自发相变以及去极化现象。阐明了边缘应力和退极化场对不同纳米带铁电极化的影响，并通过应变实现了纳米带铁电-顺电之间的转变。本项研究不但揭示了单元素二维铁电Bi烯材料的尺寸效应，而且为其铁电性的调控与应用提供了理论依据。