研究背景
隨著微納電子技術(shù)的飛速發(fā)展，當(dāng)前對(duì)電子器件的微型化和高性能提出了更高要求，更低功耗、更高集成度、更高速、更耐疲勞成為追求的目標(biāo)，此外器件最好還能兼具柔韌性。近幾年發(fā)現(xiàn)的二維滑移鐵電（Sliding ferroelectricity）作為一類新興的功能性材料，能同時(shí)滿足上述性能要求，因此越來(lái)越引起人們的關(guān)注。在很多二維材料，例如六方氮化硼（h-BN）、二硫化鉬（MoS2）、石墨烯等材料中，雖然其單層均為中心對(duì)稱結(jié)構(gòu)，不具有鐵電性，但是在雙層或多層結(jié)構(gòu)中，某些堆疊方式可以打破空間反演對(duì)稱性，從而產(chǎn)生面外極化。更重要的是，這種面外極化可以通過(guò)外電場(chǎng)調(diào)控層間滑移進(jìn)行翻轉(zhuǎn),如圖1a所示。這種滑移過(guò)程需要克服的勢(shì)壘非常小，比常規(guī)鐵電小一個(gè)數(shù)量級(jí)，因此有望用于設(shè)計(jì)超低功耗的鐵電器件。此外，除了層間滑移，層間旋轉(zhuǎn)也可以改變其堆疊序，從而產(chǎn)生鐵電，即摩爾鐵電（Moire ferroelectricity）如圖1b所示。
滑移/摩爾鐵電理論近兩年來(lái)在實(shí)驗(yàn)中被不斷證實(shí)，但當(dāng)前對(duì)于滑移鐵電的研究還在初期，很多性質(zhì)尚不清楚。與常規(guī)鐵電類似，滑移/摩爾鐵電的矯頑場(chǎng)、極化翻轉(zhuǎn)速率、疲勞等性能，很大程度上取決于其疇壁的性質(zhì)。近期發(fā)表在Nature Reviews Materials上的綜述文章指出，“盡管滑移鐵電的疇壁很重要，但是當(dāng)前對(duì)它的性質(zhì)還知之甚少”。這主要是由于滑移堆垛結(jié)構(gòu)的特性，其疇壁的寬度可能遠(yuǎn)大于常規(guī)鐵電的1nm量級(jí)。受限于尺度原因，當(dāng)前常規(guī)的計(jì)算方法，例如密度泛函理論（DFT），無(wú)法對(duì)其進(jìn)行計(jì)算。
成果介紹
針對(duì)這一問(wèn)題，中國(guó)科學(xué)院寧波材料所柔性磁電功能材料與器件團(tuán)隊(duì)鐘志誠(chéng)研究組利用基于深度學(xué)習(xí)力場(chǎng)的大尺度原子模擬方法，在量子力學(xué)框架下，首次計(jì)算并揭示了滑移鐵電的疇壁和摩爾構(gòu)型的原子結(jié)構(gòu)及其動(dòng)力學(xué)性質(zhì)。研究人員以典型的二維滑移鐵電h-BN為例，首先通過(guò)同步學(xué)習(xí)策略得到大量能夠覆蓋勢(shì)能面的訓(xùn)練集構(gòu)型，并通過(guò)對(duì)大量DFT訓(xùn)練集進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，構(gòu)造了深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)表達(dá)的力場(chǎng)函數(shù)。該力場(chǎng)函數(shù)可以在DFT精度下，描述各種堆疊序的能量、極化翻轉(zhuǎn)動(dòng)力學(xué)過(guò)程、以及聲子譜等性質(zhì)，如圖2所示。在此基礎(chǔ)上，科研人員根據(jù)滑移方向與疇壁的幾何角度關(guān)系，構(gòu)建了四種類型的鐵電疇壁（0°，30°，60°，90°疇壁），并利用深度學(xué)習(xí)力場(chǎng)函數(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)弛豫，得到穩(wěn)定的疇壁結(jié)構(gòu)。計(jì)算結(jié)果表明，0°和90°疇壁寬度分別為10nm和40nm，比常規(guī)鐵電材料大1-2個(gè)數(shù)量級(jí)。結(jié)合疇壁能模型分析，可以推出是由于較低的層間滑移勢(shì)壘和較高的面內(nèi)畸變能的競(jìng)爭(zhēng)耦合，導(dǎo)致寬疇壁的形成。此外，通過(guò)外電場(chǎng)下的動(dòng)力學(xué)模擬，研究人員發(fā)現(xiàn)疇壁移動(dòng)得臨界電場(chǎng)非常低（~0.026 V/nm），同時(shí)疇壁具有超快的移動(dòng)速率（6000 m/s），如圖4所示。這意味著100 nm的器件極化翻轉(zhuǎn)的時(shí)間只需要15皮秒，這能夠?yàn)楦咚俚凸拇鎯?chǔ)器的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。
研究人員還利用深度力場(chǎng)函數(shù)對(duì)h-BN的摩爾結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)進(jìn)行研究，首先通過(guò)層間旋轉(zhuǎn)，構(gòu)造出摩爾結(jié)構(gòu)，弛豫以后得到的AB和BA堆疊疇相交替的等邊三角形構(gòu)型，這與實(shí)驗(yàn)觀察到的一致（圖1b）。在面外電場(chǎng)下，會(huì)導(dǎo)致一種疇增大而另一種疇變小，形成類似三叉戟的圖案，如圖5所示，從而產(chǎn)生面外極化。當(dāng)撤掉電場(chǎng)以后，疇會(huì)恢復(fù)至初始等邊三角形圖案，同時(shí)極化恢復(fù)為0，因此表現(xiàn)為超順電性。通過(guò)理論計(jì)算表明，所謂的摩爾鐵電說(shuō)法是不恰當(dāng)?shù)?，?shí)驗(yàn)中觀察到摩爾結(jié)構(gòu)的鐵電信號(hào)可能是起源于缺陷對(duì)疇壁的釘扎作用。
該項(xiàng)研究在領(lǐng)域內(nèi)首次揭示了滑移/摩爾鐵電疇壁的原子結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)性質(zhì)，其特性與常規(guī)鐵電相差甚遠(yuǎn)，計(jì)算結(jié)果能夠解釋大量實(shí)驗(yàn)中的奇異現(xiàn)象，并為未來(lái)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)提供可靠的理論基礎(chǔ)。
圖1. （a）h-BN滑移鐵電原子結(jié)構(gòu)和差分電荷密度示意圖。雙層BN的AB和BA堆疊分別具有向上和向下的極化，且可以通過(guò)層間滑移進(jìn)行極化翻轉(zhuǎn)。（b）摩爾鐵電示意圖。通過(guò)層間旋轉(zhuǎn)，形成AB、BA堆垛相間的結(jié)構(gòu)。
圖2. （a）通過(guò)對(duì)大量DFT訓(xùn)練集進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，構(gòu)造了用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)表達(dá)的勢(shì)函數(shù)。（b）和（c）通過(guò)深度勢(shì)函數(shù)預(yù)測(cè)的能量和力與DFT計(jì)算結(jié)果的對(duì)比，證明深度勢(shì)函數(shù)具有DFT精度。（d）DFT和深度勢(shì)函數(shù)計(jì)算得到的h-BN聲子譜和態(tài)密度。
圖3 利用深度勢(shì)函數(shù)弛豫得到的0°（a）和90°（b）疇壁原子結(jié)構(gòu)圖，計(jì)算結(jié)果表明其疇壁寬度在10-40 nm。
圖5 h-BN的摩爾構(gòu)型的原子結(jié)構(gòu)，及其結(jié)構(gòu)和極化在外電場(chǎng)下的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。
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