0 1 引言

鐵電材料憑借其自發(fā)可逆的鐵電極化在納米光電子器件中有著廣泛應用前景。最近研究報道在諸如In2 Se3 、SnTe 、Sc2CO2 等原子厚度的二維體系中也存在鐵電極化此類鐵電極化具有促進光電材料中光生電子、空穴的有效分離，調(diào)控金屬-半導體間的接觸等功能，在小型化納米技術(shù)和設備開發(fā)中意義重大。其中，二維體系中引入共存的鐵電性（FE）與量子自旋霍爾效應（QSH），也即二維FEQSH絕緣體，可進一步實現(xiàn)對半導體無耗散電荷傳輸和手性邊緣態(tài)的非易失性調(diào)控。 然而，受限于結(jié)構(gòu)的對稱性和自旋軌道耦合誘導的能帶反轉(zhuǎn)，目前二維FEQSH絕緣體的實現(xiàn)仍需借助官能團修飾、堆疊和應變等操控手段，為其實驗實現(xiàn)和應用增加了新難度。因此探尋本征的二維FEQSH絕緣體至關(guān)重要，但至今未被報道。鑒于上述現(xiàn)狀，申請人將研究從堿金屬包裹的KAgX二維體系拓展至二維Na3Bi，系統(tǒng)研究并分析了其鐵電、拓撲和輸運等相關(guān)性質(zhì)。發(fā)現(xiàn)其是一種性能優(yōu)異的二維FEQSH絕緣體，為將來非易失性光電子器件的進一步研究提供了重要的參考。

0 2 成果簡介

本文基于非平衡態(tài)格林函數(shù)-密度泛函理論等第一性原理方法對二維表面聚合Na3Bi進行了系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)其具備較高面外鐵電極化（0.59 uC/cm2 ）、較大非平庸帶隙（0.36 eV）和較低能量過渡勢壘（9.26 meV/f.u.）等優(yōu)良特性，是一種本征的二維鐵電量子自旋霍爾絕緣體。該體系較高的面外鐵電極化和自旋軌道耦合（SOC）會致使其產(chǎn)生顯著的Rashba效應。此外，在該體系中可實現(xiàn)自旋紋理和電荷輸運的鐵電性非易性操控。二維單層三聚體Na3Bi中量子自旋拓撲態(tài)、鐵電性和Rashba自旋分裂之間的本征共存和耦合將為接下來自旋電子學的發(fā)展和應用提供重要的理論指導。

03 圖文導讀

圖 1 （a） 二維表面聚合Na3Bi晶格結(jié)構(gòu)俯視圖和側(cè)視圖；（b） Na3Bi兩個不同能量簡并態(tài)S1和S2之間的過渡轉(zhuǎn)換，其中S1和S2極化方向相反，Stra為二者轉(zhuǎn)換過程中的中間態(tài)。

圖 2 （a） Na3Bi的差分電荷密度；（b） Na3Bi平面平均靜電勢沿z方向的分布。

圖 3 Na3Bi兩個不同能量簡并態(tài)S1和S2之間鐵電極化反轉(zhuǎn)的最低能量過渡路徑，箭頭表示過渡勢壘大小。

圖 4 （a） 考慮自旋軌道耦合SOC和 （b） 不考慮SOC時Na3Bi的能帶結(jié)構(gòu)，其中不同顏色表示不同原子和軌道對能帶的貢獻；（c） Wannier電荷中心WCC沿ky方向的演化；（d）自旋霍爾電導隨化學勢的分布，橘黃色陰影表示SOC帶隙，插圖表示占據(jù)帶的自選貝利曲率在k空間的分布；（e） 半無限長Na3Bi納米帶的邊緣態(tài)；（f） Na3Bi納米帶自旋投影邊緣態(tài)。

圖 5 （a） Na3Bi能帶VBM在 Γ 點處的放大圖，其中k0和ER分別表示相應動量偏移和Rashba能量；（b） S1和 （c） S2態(tài)下Na3Bi在 Γ 點附近VBM的自旋紋理圖，圖中箭頭表示面內(nèi)自旋分量Sx和Sy，不同顏色表示面外自旋分量，參考點k （kx=ky=0）對應 Γ 點。

圖 6 （a） S1和（b） S2態(tài)下兩種不同極化的Na3Bi/graphene異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)示意圖；（c） 平衡態(tài)下結(jié)構(gòu) （a） 和 （b） 在二電極器件中透射系數(shù)隨能量的分布。其中，異質(zhì)結(jié)S1和S2器件的電導值分別為5.32和5.34 e2 /?，且兩個電導值可通過鐵電開關(guān)實現(xiàn)非易失性轉(zhuǎn)換。

0 4 小結(jié)

基于第一性原理計算方法對單層表面聚合Na3Bi進行了研究，發(fā)現(xiàn)其是一種本征的二維FEQSH絕緣體。該體系具備較大的面外鐵電極化和非平庸帶隙、顯著的Rashba效應和較低能量過渡勢壘等優(yōu)秀特性， 極益于實驗上的鐵電拓撲絕緣態(tài)的觀察和測量。此外，通過調(diào)控其鐵電翻轉(zhuǎn)可實現(xiàn)對非平庸自旋紋理和導電特性的非易失操控。二維單層三聚體Na3Bi中本征鐵電性和拓撲性質(zhì)的共存和耦合為接下來自旋電子學的發(fā)展和創(chuàng)新提供了新的研究平臺。

研究使用鴻之微Device Studio、Nanodcal和鴻之微云等工具：使用 Device Studio軟件分別搭建了S1和S2態(tài)下兩種不同極化的Na3Bi/graphene異質(zhì)結(jié)的二電極器件，并使用Nanodcal軟件計算了其透射系數(shù)和電導值，發(fā)現(xiàn)二者不同電導可通過調(diào)控鐵電開關(guān)實現(xiàn)非易失性相互轉(zhuǎn)換。

審核編輯 ：李倩