Two-Dimensional Multiferroics: Ferroelasticity, Ferroelectricity, Domain Wall, and Potential Mechano-Opto-Electronic Applications

铁电性 多铁性 材料科学 凝聚态物理 光伏 单层 激子 半导体 各向异性 光电子学 纳米技术 光学 物理 电介质 光伏系统 生态学 生物
作者
Hua Wang,Xiaofeng Qian
出处
期刊:Cornell University - arXiv [Cornell University]
被引量:369
标识
DOI:10.1088/2053-1583/4/1/015042
摘要

Low-dimensional multiferroic materials hold great promises in miniaturized device applications such as nanoscale transducers, actuators, sensors, photovoltaics, and nonvolatile memories. Here, using first-principles theory we predict that two-dimensional (2D) monolayer Group IV monochalcogenides including GeS, GeSe, SnS, and SnSe are a class of 2D semiconducting multiferroics with strongly coupled giant in-plane spontaneous ferroelectric polarization and spontaneous ferroelastic lattice strain that are thermodynamically stable at room temperature and beyond, and can be effectively modulated by elastic strain engineering. Their optical absorption spectra exhibit strong in-plane anisotropy with visible-spectrum excitonic gaps and sizable exciton binding energies, rendering the unique characteristics of low-dimensional semiconductors. More importantly, the predicted low domain wall energy and small migration barrier together with the coupled multiferroic order and anisotropic electronic structures suggest their great potentials for tunable multiferroic functional devices by manipulating external electrical, mechanical, and optical field to control the internal responses, and enable the development of four device concepts including 2D ferroelectric memory, 2D ferroelastic memory, and 2D ferroelastoelectric nonvolatile photonic memory as well as 2D ferroelectric excitonic photovoltaics.
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