Giant Polarizability and Origin of Ferroelectricity in Layered Materials with a Litharge-Type Structural Unit

极化率 铁电性 材料科学 类型(生物学) 单位(环理论) 纳米技术 结晶学 凝聚态物理 化学 光电子学 物理 地质学 电介质 有机化学 心理学 分子 古生物学 数学教育
作者
Ziye Zhu,Jiaming Hu,Yubo Yuan,Hua Wang,Xiao Lin,Wenbin Li
出处
期刊:Nano Letters [American Chemical Society]
卷期号:25 (10): 4093-4100 被引量:4
标识
DOI:10.1021/acs.nanolett.5c00569
摘要

We discover that a large family of [Pb2F2]- and [Bi2O2]-based mixed-anion materials with a litharge-type structural unit are highly polarizable layered semiconductors in proximity to strain-induced ferroelectricity. First-principles calculations demonstrate that in this family of materials, compounds as diverse as PbFBr, BiOCl, BiCuOSe, Bi2OS2, and Bi5O4S3Cl exhibit static dielectric constants an order of magnitude higher than typical semiconductors. Additionally, they undergo a ferroelectric transition when subjected to a few percent of tensile strain. The ferroelectric transitions of these materials are found to have a universal origin in the strong cross-bandgap hybridization of the cation p orbitals, enabled by the cation 6s2 lone-pair electrons and the litharge-type structure of the [Pb2F2] and [Bi2O2] layers, as demonstrated by the strain-induced ferroelectric transition in the archetypal litharge α-PbO. These results establish materials with a litharge-type structural unit as a large and versatile family of highly polarizable layered semiconductors in proximity to ferroelectricity.
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