Out-of-plane ferroelectricity and multiferroicity in elemental bilayer phosphorene, arsenene, and antimonene

磷烯 铁电性 材料科学 双层 凝聚态物理 堆积 多铁性 硅烯 光电子学 纳米技术 石墨烯 化学 物理 电介质 核磁共振 生物化学 膜
作者
Yan Liang,Rongjing Guo,Shiying Shen,Baibiao Huang,Ying Dai,Yandong Ma
出处
期刊:Applied Physics Letters [American Institute of Physics]
卷期号:118 (1) 被引量:37
标识
DOI:10.1063/5.0032790
摘要

Developing out-of-plane ferroelectricity in a two-dimensional (2D) lattice is becoming increasingly important due to its high potential for miniaturized device applications. Current research efforts for 2D out-of-plane ferroelectrics mainly focus on compounds, while 2D elemental material-based ferroelectrics have been rarely explored. Herein, we show first-principles evidence of the existence of out-of-plane ferroelectricity in elemental 2D lattices, bilayer phosphorene, arsenene, and antimonene, which can be easily synthesized in a controllable manner in experiments. Our results reveal that their sizable out-of-plane polarizations are attributed to the charge redistribution caused by the unique stacking pattern. Upon doping holes, bilayer phosphorene and arsenene are shown to be multiferroic, presenting a strong coupling between ferroelectricity and ferromagnetism. Moreover, reversible spin texture induced by ferroelectric switching is achieved in all these three systems. These findings thereby not only broaden the class of 2D out-of-plane ferroelectrics but also enable future multifunctional nanodevice designs.
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