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一维铁电材料在开发小型化和高密度铁电器件中有着良好的应用前景。然而，大多数一维铁电材料的功能都基于传统铁电材料的纳米结构，如PbTiO3和BaTiO3的纳米线或纳米管。这些材料可能存在去极化电场、表面重建、悬空键和大直径等问题，从而限制了实际应用。众所周知，在二维世界中不仅存在传统功能材料的纳米薄膜，还存在如石墨烯那样的天然二维材料。那么当维度进一步减小，是否存在具有天然一维结构的铁电体呢？
来自澳大利亚昆士兰科技大学的杜爱军教授团队，通过密度泛函理论计算和蒙特卡洛模拟，合成了一类具有天然一维几何结构的铁电纳米线，即一维NbOX3 （X=Cl、Br和I）。声子谱和分子动力学计算表明，一维NbOX3具有良好的动力学和热力学稳定性。由于结合能小，一维NbOX3有望直接从实验制备的范德瓦尔斯体相中剥离出来，如同从石墨中剥离石墨烯一样。Nb和O的轨道杂化，使一维NbOX3呈现出自发电极化，并且具有超低的铁电转变能垒、低矫顽电场和高居里温度，在应用于纳米级低功耗铁电设备方面展现了巨大潜力。此外，一维NbOX3独特的双通道结构，使其有可能出现反铁电亚稳态，这为探索一维尺度下复杂铁电构型提供了理想平台。作者的研究结果不仅提出了一类新型的本征一维铁电材料，还指出了直接从范德瓦尔斯晶体分离天然一维铁电体的可行途径。可以相信，该研究还将激发出更多对一维范德瓦尔斯材料奇异而丰富的物理学研究。该文近期发表于npj Computational Materials 7: 135 (2020)，英文标题与摘要如下，点击左下角“阅读原文”可以自由获取论文PDF。
Purely one-dimensional ferroelectricity and antiferroelectricity from van der Waals niobium oxide trihalides
Lei Zhang, Cheng Tang, Stefano Sanvito & Aijun Du
Intrinsic one-dimensional (1D) ferroelectric materials are rarely reported but are highly sought to break the size limit of nanostructured conventional ferroelectrics. Herein, we report a class of inborn 1D ferroelectric nanowires, namely 1D NbOX3 (X = Cl, Br, and I), that can be directly obtained from experimentally realized van der Waals crystals. In addition to the sizable spontaneous polarization, 1D NbOX3 exhibits low ferroelectric switching barriers, small coercive electric fields, and high critical temperature, governed by the hybridization of the Nb empty d orbitals and the O p orbitals (d0 rule). Moreover, the double-channel structure of 1D NbOX3 also enables the emergence of 1D antiferroelectric metastable states. Our findings not only propose a class of 1D ferroelectric materials toward the development of miniaturized and high-density electronic devices, but also pave an avenue of obtaining intrinsic 1D ferroelectrics from van der Waals crystals.
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