综述：从经典铁电性到新兴的低维相

《Advanced Physics Research》：From Classical Ferroelectricity to Emerging Low-Dimensional Phases

铁电材料研究：氧化物HfO?与二维MoTe?、In?Se?的极化机制及量子应用。

　　随着科技的发展，铁电材料在多个领域展现出了广泛的应用潜力。铁电材料的核心特性是其自发极化，这一特性在外部电场作用下可以被逆转，从而赋予其在存储、传感器、执行器以及压电转换等应用中的独特优势。铁电现象最初主要在经典的氧化物钙钛矿体系中被研究，如BaTiO?和Pb(Zr,Ti)O?（PZT），这些材料通过晶格畸变和离子位移实现了显著的极化。然而，近年来发现的新型铁电材料，如混合有机-无机钙钛矿、二元氧化物如HfO?，以及二维单层和双层二硫化物等，正在拓展我们对极化现象的基本理解，并为纳米电子、光伏和量子技术等前沿领域带来革命性的设备应用。

在经典氧化物铁电材料中，自发极化源于晶格畸变和对称性破缺，通常由离子位移和声子不稳定态驱动。这些材料的极化行为受到温度的影响，当温度低于居里温度（T_C）时，材料会发生结构相变，从高对称的非极性相转变为低对称的极性相。这一过程伴随着电偶极矩的形成，使得材料在无外部电场时仍能保持极化状态。这些经典材料不仅为铁电现象的理论研究提供了基础，还推动了多个技术领域的进步，如非易失性存储器、传感器、执行器和压电转换器。

然而，随着研究的深入，科学家们开始探索新的铁电材料体系，尤其是那些在低维结构中表现出独特性质的材料。这些新兴材料包括HfO?基材料、二维范德华材料如SnS、GeSe、MoTe?和In?Se?等。HfO?基材料的铁电行为是在其非平衡相中被发现的，特别是在掺杂或应变条件下。这类材料具有高可扩展性、优异的CMOS工艺兼容性和在纳米尺度下依然保持稳定的极化特性，使得它们在非易失性存储器和神经形态计算设备中具有重要的应用前景。此外，这些材料还表现出独特的“唤醒效应”，即在反复的电场循环中，极化响应会增强，这表明其极化行为具有可调控性。

二维范德华铁电材料则展现出不同于传统铁电材料的特性。例如，CuInP?S?（CIPS）是最早被证实的二维铁电材料之一，其自发极化可以在单层极限下保持。这类材料由于其弱的层间相互作用，能够在极薄的片状结构中维持极化状态，这与传统钙钛矿材料在减薄时因去极化场而迅速失去极化特性形成了鲜明对比。此外，二维单层和双层二硫化物，如SnS、GeSe、MoTe?和WTe?，也表现出独特的极化机制。例如，MoTe?和WTe?的极化行为可以通过层间滑动实现，这种机制不同于传统的离子位移，而是通过层间相对位移，形成可切换的极化状态。这些材料的极化行为不仅稳定，而且具有低能耗和高可逆性，使其在柔性电子和低功耗逻辑器件中展现出巨大潜力。

二维范德华铁电材料的极化行为还与拓扑电子状态和谷物理紧密相关。例如，在某些二硫化物中，极化可以与谷极化相互耦合，从而实现对谷态的电场调控。这种耦合不仅为谷电子学提供了新的研究方向，还可能在量子计算和谷基逻辑器件中发挥重要作用。此外，二维材料的极化行为还可以通过应变工程、缺陷调控和界面设计等手段进行优化，使得它们在特定的应用场景中具有更高的性能和稳定性。

在研究这些新兴铁电材料的过程中，科学家们发现了一些独特的现象和机制。例如，在HfO?基材料中，极化行为可以通过掺杂、应变和纳米结构的调控来实现，而这些材料的极化行为还表现出“唤醒效应”，即在反复的电场循环中，极化响应会增强。这种现象表明，这些材料的极化行为不仅受到材料本身结构的影响，还与外部条件密切相关。此外，二维材料的极化行为还表现出对厚度的高度依赖性，当材料减薄到单层极限时，其极化行为仍然保持稳定，甚至在某些情况下增强。

这些新兴铁电材料的研究不仅揭示了铁电现象在不同材料体系中的多样性，还为未来的技术发展提供了新的思路。例如，HfO?基材料的极化行为可以通过掺杂和应变工程进行调控，使其在纳米尺度下依然保持稳定的极化特性。而二维材料的极化行为则可以通过层间滑动和应变工程实现，这种机制为低功耗和高可逆性的设备设计提供了新的可能性。此外，这些材料还表现出与拓扑电子状态和谷物理的耦合，使得它们在量子计算和谷电子学等领域具有独特的应用前景。

综上所述，铁电材料的研究正在从传统的钙钛矿体系向新的低维材料体系扩展。这些新型材料不仅在基础物理研究中提供了新的视角，还在实际应用中展现出巨大的潜力。通过进一步的研究和技术创新，这些材料有望在未来的电子、光电子和量子技术中发挥重要作用。