铁电材料具有自发极化并可被电场翻转，可用于信息存储，降低其翻转势垒利于降低能耗和提高数据写入速度，但同时又要保证能在工作温度下稳定，两者通常相互冲突。这篇综述回顾了几种之前理论提出过的可能兼具低翻转势垒和室温稳定性的铁电机制：（一）具有超低翻转势垒的滑移铁电机制已在一系列范德华层状材料中得到实验证实，有望使二维材料的各种物理性质（磁性、光伏、谷电子和拓扑性质等）能够方便地用电场非易失调控。（二）一些氢键铁电可通过质子转移以低势垒进行翻转，其产生的新型压电机制利用氢键特性可获得超高压电系数。（三）由类共价离子键诱导的超离子铁电可兼具高极化和低翻转势垒，甚至还可产生量子化极化的非常规铁电性，即便在非铁电点群晶体中也可能存在。这些低势垒铁电机制可能带来新的物理现象和潜在应用优势，有待进一步的探索。
该综述论文以“Theoretical designs of low-barrier ferroelectricity”发表于WIREs Computational Molecular Science
(http://doi.org/10.1002/wcms.1682)，湖北第二师范学院高亚鑫讲师，湖北师范学院任洋洋讲师，华中科技大学吴梦昊教授为共同通讯作者，浙江理工大学钟婷婷讲师为第一作者。
图1.双层 (a) BN, (b) MoS2, 和(c) ZrI2通过层间滑移的铁电翻转路径。(d) 1T’ ReS2极化，翻转势垒和PFM相滞回线。(e)插入双层BN之间的双层石墨烯的铁电翻转路径。
图2. (a)WTe2双层中铁电翻转势垒和铁电-反铁电转变势垒的比较。(b)扭角WTe2双层形成的莫尔铁电畴。(c)扭角半导体双层的不同铁电畴中上层和下层能带之间的相对移动。(d)在扭角BN双层中形成的meron–antimeron对网格。
图3. (a) MnSe铁电翻转过程中磁性的翻转。(b) 双层T-FeCl2 铁电翻转过程中两个能谷的变化。(c) 铁电双层MoS2相反铁电畴的体光伏响应和光吸收系数。(d)磁和电偶极能调控多铁双层VSe2的体光伏效应。(e)双层ZrI2在层滑移过程中的光磁现象示意图。
图4. (a)层间滑移翻转三层Bi2Te3的电极化，使得边界处自旋锁定流的手性和方向翻转。(b)双层MnBi2Te4，铁电极化可翻转贝利曲率和反常霍尔效应。
图5.（a）CBDC和PhMDA通过质子转移实现铁电转换。（b）CrOOH在双轴应变下的铁电翻转路径和势垒。（c）PhMDA和[H-55DMBP][Hia]的几何结构、质子迁移势垒以及P-T曲线草图。
图6.（a）氢键链中质子空位诱导的具有量子化极化的非常规铁电性。（b）γ-MOOH通过-OH键旋转（黑色箭头所示模式1）或质子跳跃（红色箭头所示模式2）实现铁电切换的示意图。
图7. (a)纤锌矿型ZnO及(b)闪锌矿型AgI晶体的铁电翻转路径。(c)双元化合物的岩盐型结构与纤锌矿型结构能量差关于其菲利普电离度的变化关系图。(d)在岩盐型与纤锌矿型结构中，具有较大离子半径的阳离子与其相邻具有较小离子半径的阴离子间距离的示意图。(e)纤锌矿型卤化锂结构的铁电翻转路径。
图8. (a)非中心对称的超碱/超卤素团簇结构与各向同性的单原子结构对比图。(b)一些典型的PnH4MX4超盐结构示意图，PnH4MX4超盐结构可以通过化学反应MPn+4HX→PnH4MX4或者PnH4X+MX3→PnH4MX4来合成。(c)NH4BCl4结构的铁电翻转路径。(d)PH4FeBr4结构可以通过铁弹翻转(或者90度铁电翻转)来实现自旋方向的转换。
吴梦昊于2014年加入华中科技大学物理学院任教授，博士生导师。主要从事二维铁电/多铁的理论研究，并有一系列相关预测随后得到实验证实，尤其是提出的滑移铁电理论近年来已被证实适用于多种体系。目前以通讯作者在Nat Rev Phys、Nat Commun、Sci Adv、PNAS、Natl Sci Rev、PRL、JACS等期刊发表文章50余篇，入选Elsevier中国高被引学者。
钟婷婷，浙江理工大学理学院硕士生导师，多年来一直从事低维铁电和多铁性研究，近年来在Advanced Science, National Science Review, ACS Nano, Physical Chemistry Chemical Physics, Journal of Materials Chemistry A, WIREs Computational Molecular Science等期刊上以第一作者或合作研究发表SCI论文近10篇，主持国家自然科学基金青年基金一项。
高亚鑫，博士毕业于华中科技大学物理学院，现任湖北第二师范学院专任教师，主要从事高性能铁电/多铁材料的研究，在探索准离子、团簇离子等体系的铁电性方面积累了丰富的研究经验，至今以第一或者共一作者身份在Nature Commun.、Nanoscale Horiz.、J Phys Chem Lett.、Phys. Rev. B期刊发表论文数篇，主持湖北省自然科学基金青年科学基金项目一项。
任洋洋，硕士生导师，2021年毕业于华中科技大学物理学院，同年进入湖北师范大学工作。近年来主要关注氢键系统铁电/压电性的理论研究及器件设计，先后在Natl. Sci. Rev.、ACS Appl. Mater. Interfaces、Appl. Phys. Lett.等期刊发表SCI论文10余篇。目前主持湖北省自然科学基金青年项目一项。
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