物语 | 陆赟豪：非常规“单质”铁电/压电中的新奇物理

编者按

中国物理学会微信公众号“物语”栏目以问答方式，推介中青年学者最新研究进展，并探询他们如何在科研道路上克服困难，应对挑战。

科学研究的进展，不仅仅是发表一篇论文，在论文的背后，还有更丰富的故事。请就您的研究，回答以下读者比较感兴趣的问题，我们将据此整理成文。感谢您的支持。

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Reasearch Highlights

本期我们介绍的是浙江大学物理学院陆赟豪团队，在二维元素材料中发现了首个表现出负压电效应的体系——Va族单层。根据第一性原理的计算，这些材料具有巨大的负纵向压电系数。该工作将负纵向压电效应扩展到元素材料，揭示了一种新的负纵向压电效应机制，并发现了一种新的非解析行为，对功能材料的设计和器件的应用具有重要的意义。相关研究成果以Giant and Nonanalytic Negative Piezoelectric Responsein Elemental Group-Va Ferroelectric Monolayers为题，发表于《物理评论快报》Physical Review Letters, 2023, 131, 236801 上。

论文简介

本项研究揭示了一类具有巨大且非解析的负压电效应的铁电材料，对功能材料的设计和器件的应用具有重要的意义。本期物语相关论文介绍请见最新一期前沿快讯。

原文摘要

Materials with negative longitudinal piezoelectric response have been a focus of recent research. So far, reported examples are mostly three-dimensional bulk materials, either compounds with strong ionic bonds or layered materials with van der Waals interlayer gaps. Here, we report the first example in two-dimensional elemental materials—the class of group-Va monolayers. From first-principles calculations, we show that these materials possess giant negative longitudinal piezoelectric coefficient e11. Importantly, its physical mechanism is also distinct from all previous proposals, connected with the special buckling driven polarization in these elemental systems. As a result, the usually positive internal strain contribution to piezoelectricity becomes negative and even dominates over the clamped ion contribution in Bi monolayers. Based on this new mechanism, we also find several 2D crystal structures that may support negative longitudinal piezoelectricity. As another consequence, piezoelectric response in Bi monolayers exhibits a significant nonanalytic behavior, namely, the e11 coefficient takes sizably different values (differed by ∼18%) under tensile and compressive strains, a phenomenon not known before and helpful for the development of novel electromechanical devices.

陆赟豪

2003和2008年本科和博士毕业于浙江大学物理学系，之后在新加坡国立大学担任助理研究员，2010年入职浙江大学，现任浙江大学物理学院教授，致力于发展第一性原理计算方法，利用唯象理论，表面物理，晶格动力学等手段研究非常规铁电/压电体系。

您的这项研究成果发表在什么期刊？请列出包括这篇文章在内的近期3篇代表性论文及发表的期刊名称。

本次研究成果发表在《Physical Review Letters》。近期发表的论文有：

1、Zhong SL, Zhang XL, Liu S, Yang SYA, Lu YH*, "Giant and Nonanalytic Negative Piezoelectric Response in Elemental Group-Va Ferroelectric Monolayers", Physical Review Letters  2023, 131, 236801.

2、Gou J*, Bai H, Zhang XL, Huang YL, Duan S, Ariando A., Yang SYA, Chen L*, Lu YH*, Wee ATS*, "Two-dimensional ferroelectricity in a single-element bismuth monolayer", Nature 2023,  617，67-72.

3、Tao SD, Zhang XL, Zhu JJ, He PM, Yang SYA, Lu YH*, Wei SH, "Designing Ultra-flat Bands in Twisted Bilayer Materials at Large Twist angles: Theory and Application to Two-dimentional Indium Selenides", Journal of the American Chemical Society 2022,  144(9) 3949-3956.

您开展这项研究的动机是什么？为什么这个方向会吸引您？

石墨烯的发现及其优异性质极大地推动了二维单质材料体系的快速发展，但传统的单质体系一般都具有中心对称结构，不具有极化特性，且缺乏可逆调控的结构相变特征， 这大大限制了其应用场景， 无法具有化合物一样丰富的特性和功能，特别是极化特性一直被认为是化合物特有， 我一直在思考如何在单质系统中实现化合物特有的功能这一极具挑战性的课题，直到2018年，我发展了铁电唯象模型，利用第一性原理计算预测在二维五族皱褶体系中存在铁电/反铁电特性（Adv. Funct. Mater. 28, 1707383），之后设计相关实验并和实验合作者一起验证了这一结果（Nature 617，67-72），颠覆了传统认知。这类单质铁电体系的极化产生机制和传统化合物完全不同，导致不同于传统化合物的物理性质，其中之一即本文报道的巨大的负压电特性和非解析的压电系数。

完成这项研究需要采取什么领先或特殊的计算方法/实验手段？

本项研究主要采用基于密度泛函理论的第一性原理方法，对材料基态结构和电子结构对应变的响应有一个精准的预测，在评估材料的压电性能时需要用到Berry phase方法计算电极化， 当从顺电相到极化相转变过程中经历金属相时需要对极化量子重新定义

研究过程中遇到的最大困难是什么？最后如何克服了？

本研究过程中最大的困难是探究二维Va族铁电出现负压电的机制以及寻找一个普适的规律。我们针对多种猜想经过了大量的计算测试，对所有结果与同行专家进行了细致的交流讨论，才最终明确了如何解释这些新奇的结果。

 研究结果的创新性和重要性具体体现在哪些方面？

二维Va族铁电是首次在理论上预测出来的具有负压电效应的单质材料，这类体系具有巨大的负纵向压电系数，更重要的是，它们的物理机制也不同于以前所有的例子，这与单质特有的面外畸变有关。此外还报道了一个未知的现象：压电效应的非解析性，即压电系数在拉伸和压缩应变下表现为不同值。这种奇特效应也是面外畸变驱动的结果，它决定了势能面的非简谐性以及在拉伸和压缩应变下不同的结构刚度。基于这种新的机制，还发现了一些可能具有负压电效应的二维晶体结构。这些结果对功能材料的设计和器件的应用具有重要的意义。

您的合作者提供了哪些帮助？如何看待这项研究？

该项研究的主要合作者包括西湖大学刘仕教授、澳门大学杨声远教授。我与合作者们都曾多次深入讨论过这项研究。从与他们的讨论中，我收获了对本项研究的新的思路，他们对文章的改进也提供了许多宝贵的意见。他们认为我们这项研究新颖和有趣，对相关领域的发展具有重要的促进作用。

论文在投审稿过程中遇到了什么让您记忆深刻的事情？

这次投稿过程总体来说比较顺利。第一轮审稿得到了两位审稿人的肯定，两位审稿人提出的建议也非常有意义，文章质量也因此有了很大的提高。虽然审稿人的意见不多，但我们仍然还是高度重视。在回复审稿人的过程中，我们进行了大量的交流和讨论，并结合审稿人的意见对论文进行了非常细致的修改和完善，最终也获得了主编和审稿人的认可并顺利发表。

可否对您目前的研究领域做一个展望，有哪些重点和难点科学问题仍值得进一步探索？

二维铁电/压电材料在未来的高密度存储器件、能量转换器件和传感器件等应用中有巨大的潜力，许多二维材料也相继得到了实验上的合成。然而目前二维铁电/压电研究仍处于起步阶段，而且由于材料合成和器件应用的限制，离实际应用还有一定距离，更多的铁电材料和机理有待进一步探索。

同时传统的极化计算方法在这类非常规极化体系中经常失效，需要突破原有的传统认知，从铁电极化最基本原理出发，在微观层面重新理解极化概念。发展现代铁电理论和基于贝里相位的极化计算方法，从而能够从原理上设计具有新奇特性的非常规铁电体系，并深入认识和调控其量子效应，探索其在器件等领域中的应用。

对于刚开始从事科学研究的青年科技工作者有哪些建议可以分享？

不要轻言放弃，做到不骄不躁，科研本身就是一个不断试错的过程；多与同行专家交流，了解更多的领域前沿；开阔思维，勤于思考，大胆尝试，突破传统思维的束缚。

设计：阿萌

排版：阿萌

美编：农民

责编：理趣

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