In-plane ferroelectricity with high Curie temperatures in nonequilibrium SnSe 1-x S x van der Waals semiconductors

凝聚态物理 居里温度 范德瓦尔斯力 铁电性 居里 半导体 材料科学 平面(几何) 物理 量子力学 光电子学 铁磁性 电介质 几何学 数学 分子
作者
Eli Sutter,Peter Sutter
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [National Academy of Sciences]
卷期号:122 (23): e2501509122-e2501509122
标识
DOI:10.1073/pnas.2501509122
摘要

While symmetry breaking in 2D ferroelectrics is obviously linked to the single-layer structure, layered (van der Waals) ferroelectrics can have a multitude of underlying mechanisms, making their identification nontrivial and often controversial. This complexity is exemplified by tin chalcogenides whose equilibrium structure, the orthorhombic α-phase with space group Pnma , includes an inversion center and which therefore should not be ferroelectric. Yet, recent work demonstrated polarization switching and ferroelectric domains in few-layer SnS and SnSe. Here, we use in situ electron microscopy and diffraction to determine the mechanism and characteristics of ferroelectricity across the SnSe 1-x S x system. We identify two distinct phases of synthetic SnSe 1-x S x : nonpolar (centrosymmetric) equilibrium (α-phase) crystals and metastable crystals adopting a distorted monoclinic structure, which are in-plane ferroelectrics with Curie temperatures of 320 to 420 °C. A surprising structural plasticity of the ferroelectric crystals during heating/cooling indicates a shallow energy landscape. This in turn suggests absence of a pronounced driving force for conversion to the α-phase that can explain the formation of the nonequilibrium crystals and their stability even after transfer to other supports. Our results highlight opportunities for the discovery of novel ferroelectrics among nonequilibrium van der Waals crystals.
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