Een algemene theorie om dubbellaagse ferro-elektriciteit te realiseren

Tweedimensionale (2D) ferro-elektrische materialen, vlakke materialen met een spontane en omkeerbare elektrische polarisatie, zijn uiterst zeldzaam en kunnen toch buitengewoon voordelig zijn voor de ontwikkeling van nieuwe nano-elektronica. Vanwege hun ferro-elektrische eigenschappen en dunne aard kunnen ze worden gebruikt om krachtige, kleine en flexibele apparaten te maken, waaronder niet-vluchtig geheugen met hoge dichtheid, opto-elektronica, elektronica met ultralage energie en draagbare technologieën.

Een onderzoeksgroep aan de Fudan University en het Shanghai Qi Zhi Institute stelden een theorie voor van dubbellaagse ferro-elektriciteit (BSF), waarbij twee gestapelde lagen van hetzelfde 2D-materiaal, met verschillende rotatie en translatie, ferro-elektriciteit vertonen. Deze theorie, gepresenteerd in Fysieke beoordelingsbrievenzou de synthese van deze voordelige materialen kunnen informeren en een generaliseerbare richtlijn kunnen bieden over hoe twee gestapelde lagen van hetzelfde 2D-materiaal kunnen worden ontworpen om ferro-elektriciteit te vertonen.

“Een veelbelovende strategie bij het ontwerpen van 2D-ferro-elektriciteit is de glijdende ferro-elektriciteit, die twee monolagen van hetzelfde type combineert en polarisatie genereert door de mate van hun relatieve glijden af ​​​​te stemmen”, vertelden Changsong Xu en Hongjun Xiang, die toezicht hielden op de studie, aan Phys.org.

“Studies die een dergelijk concept toepassen, blijven echter nog steeds in het stadium van het één voor één onderzoeken van materialen, wat de voortgang van dit veld grotendeels belemmert. We komen zo op het idee om alle mogelijkheden van dubbellaagse ferro-elektriciteit te onderzoeken met groepentheorie, zodat onderzoekers kunnen de polarisatierichting van een dubbellaag gemakkelijk onderscheiden van de symmetrie van de overeenkomstige monolaag.”

Om hun algemene theorie van dubbellaagse ferro-elektriciteit te bedenken, analyseerden ze systematisch een reeks 2D-materiaalgroepen met behulp van de zogenaamde groepentheorie, een abstracte algebratheorie voor het bestuderen van sets van specifieke objecten. Hierdoor konden ze de regels bepalen die ten grondslag liggen aan het creëren en vernietigen van symmetrieën in dubbellaagse structuren, terwijl ze ook mogelijke combinaties identificeerden die BSF zouden produceren.

“Materialen kristalliseren meestal in specifieke symmetrieën, zoals een spiegelvlak en een rotatieas, die kunnen worden gebruikt om de materialen te categoriseren”, leggen Xu en Xiang uit. “Voor monolagen zijn het de laaggroepen (er zijn er 80) die alle soorten materialen dekken. Onze algemene theorie is van toepassing wanneer men twee monolagen in een dubbellaag wil stapelen en wil controleren of er elektrische polarisatie bestaat.”

De theorie van de onderzoekers verklaart recente theoretische en experimentele bevindingen over glijdende ferro-elektriciteit. Het laat ook zien dat in 2D-ferro-elektriciteit de richting van de elektrische polarisatie van de dubbellaag totaal anders kan zijn dan die van de enkele laag. Een dubbellaag kan bijvoorbeeld ferro-elektrisch worden als twee centrosymmetrische niet-polaire monolagen op de juiste manier worden gestapeld.

“We verkrijgen algemene regels voor de vernietiging van originele symmetriebewerkingen van de monolaag en de opkomst van nieuwe symmetriebewerkingen in de dubbellaag”, aldus Xu en Xiang. “Onze algemene theorie van dubbellaagse ferro-elektriciteit omvat alle mogelijkheden van dubbellaagse ferro-elektriciteit. Met een dergelijke theorie, gegeven de laaggroep van een monolaag, kan men zeggen wat voor soort stapelbewerkingen zullen resulteren in ferro-elektriciteit in de overeenkomstige dubbellaag en in welke richting de ferro-elektrische polarisatie punten.”

Om de effectiviteit van hun algemene theorie aan te tonen, voerden de onderzoekers een reeks simulaties uit. Deze simulaties voorspelden dat ferro-elektriciteit zou kunnen worden geïntroduceerd in het prototypische 2D ferromagnetische centrosymmetrische materiaal CrI₃ een stapelstrategie gebruiken.

Ze toonden ook aan dat de elektrische polarisatie buiten het vlak in dit dubbellaagssysteem is verweven met de elektrische polarisatie in het vlak. Met andere woorden, de polarisatie buiten het vlak van de gestapelde CrI₃ dubbellaagssysteem kan worden gemanipuleerd door er een elektrisch veld in het vlak op aan te leggen.

De algemene theorie van dubbellaagse ferro-elektriciteit, geïntroduceerd door Xu, Xiang en hun collega’s, zou binnenkort nieuwe studies kunnen leiden die gericht zijn op het creëren van dubbellaagse ferro-elektriciteit. Dit zou op zijn beurt de ontwikkeling van nieuwe, goed presterende apparaten op basis van deze veelbelovende 2D-materiaalsystemen kunnen vergemakkelijken.

“Aan de ene kant geeft de voorgestelde algemene theorie veel mogelijkheden aan om dubbellaagse ferro-elektriciteit te creëren en het zal dus aantrekkelijk zijn om een ​​dergelijke theorie toe te passen op verschillende 2D-systemen”, voegde Xu en Xiang toe. “Aan de andere kant moedigt de succesvolle toepassing van de groepentheoriemethode op 2D-ferro-elektriciteit ons aan om deze te gebruiken voor het voorspellen van andere fascinerende fysische eigenschappen.”