Ferroelectric and Room-Temperature Ferromagnetic Semiconductors in the 2D MIMIIGe2X6 Family: First-Principles and Machine Learning Investigations

铁电性 凝聚态物理 铁磁性 多铁性 居里温度 材料科学 半导体 单独一对 物理 光电子学 电介质 量子力学 分子
作者
Kuan-Rong Hao,Xingyu Ma,Zhen Zhang,Hou-Yi Lyu,Qing‐Bo Yan,Gang Su
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry Letters [American Chemical Society]
卷期号:12 (41): 10040-10051 被引量:21
标识
DOI:10.1021/acs.jpclett.1c02782
摘要

Inspired by experimentally discovering ferromagnetism and ferroelectricity in two-dimensional (2D) CrGeTe3 and CuInP2S6 with similar geometric structures, respectively, we systematically investigated ferroic properties in a large family of 2D MIMIIGe2X6 (MI and MII = metal elements, X = S/Se/Te) by combining high-throughput first-principles calculations and the machine learning method. We identified 12 stable 2D multiferroics containing simultaneously ferromagnetic (FM) and ferroelectric (FE) properties and 35 2D ferromagnets without FE polarization. Particularly, the predicted FM Curie temperatures (TC) of eight 2D FM+FE semiconductors are close to or above room temperature. The ferroelectricity originates from the spontaneous geometric symmetry breaking induced by the unexpected shift of Ge-Ge atomic pairs and the emergence of Ge lone pair electrons, which also strengthens the p-d orbital hybridization between X atoms and metal atoms, leading to enhanced super-super-exchange interactions and raising the FM TC. Our findings not only enrich the family of 2D ferroic materials and present room-temperature FM semiconductors but also disclose the mechanism of the emerging ferroelectricity and enhanced ferromagnetism, which sheds light on the realization of high temperature multiferroics as well as FM semiconductors.
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