Ferroelectricity and piezoelectricity in elemental α-X6 structure

材料科学 铁电性 结晶学 光电子学 化学 电介质
作者
Xuanlin Zhang,Luqi Dong,Yunhao Lu
出处
期刊:Physical Review Materials [American Physical Society]
卷期号:8 (8) 被引量:2
标识
DOI:10.1103/physrevmaterials.8.084401
摘要

Two-dimensional (2D) elemental ferroelectricity has recently been confirmed and arouses great interest in exploring new elemental asymmetric structures and their symmetry-breaking related properties. In this study, our density functional theory (DFT) calculations reveal the existence of coupled in-plane and out-of-plane electric polarizations in the group $\mathrm{V}$ elements $\ensuremath{\alpha}\text{\ensuremath{-}}X6$ ($\mathit{X}=\mathrm{P}$, As). These ferroelectric phases are stabilized through charge transfer between ${p}_{\mathrm{x}}$ orbitals. The introduction of compressive strain facilitates the transformation from blue phosphorene into $\ensuremath{\alpha}$-P6 phase with low reaction energy owing to their structural similarity. In addition, strain engineering or atom substitution can effectively reduce the polarization switching barrier. Furthermore, $\ensuremath{\alpha}\text{\ensuremath{-}}X6$ structure exhibits large longitudinal piezoelectric strain coefficients ${d}_{11}$, benefiting from their moderate ${e}_{11}$ and flexible character. This discovery not only enriches the family of elemental ferroelectrics but also deepens the understanding of the origin of elemental polarization, offering potential candidates for ferroelectric and piezoelectric applications.
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