Unconventional ferroelectric domain switching dynamics in CuInP2S6 from first principles

铁电性 领域(数学分析) 物理 材料科学 数学 数学分析 量子力学 电介质
作者
Ri He,Hua Wang,Fucai Liu,Shi Liu,Houfang Liu,Zhicheng Zhong
出处
期刊:Physical review [American Physical Society]
卷期号:108 (2) 被引量:29
标识
DOI:10.1103/physrevb.108.024305
摘要

The switching dynamics of ferroelectric materials is a crucial intrinsic property which directly affects the operation and performance of ferroelectric devices. In conventional ferroelectric materials, the typical ferroelectric switching mechanism is governed by a universal process of domain-wall motion. However, recent experiments indicate that van der Waals ferroelectric $\mathrm{CuIn}{\mathrm{P}}_{2}{\mathrm{S}}_{6}$ possesses anomalous polarization switching dynamics under an electric field. It is important to understand the switching dynamics, but it remains theoretically unexplored in $\mathrm{CuIn}{\mathrm{P}}_{2}{\mathrm{S}}_{6}$ due to the lack of description of its order-disorder phase transition characteristics by density functional theory. Here we employ a machine-learning potential trained from the first-principles density functional theory dataset to conduct large-scale atomistic simulations of temperature-driven order-disorder ferroelectric phase transition in $\mathrm{CuIn}{\mathrm{P}}_{2}{\mathrm{S}}_{6}$. Most importantly, it is found that the electric-field-driven polarization switching in $\mathrm{CuIn}{\mathrm{P}}_{2}{\mathrm{S}}_{6}$ is mediated by a single Cu dipole flip rather than a conventional domain-wall-motion mechanism. This intrinsic unconventional switching behavior can be attributed to the competition between the energy barrier of domain-wall motion and single-dipole flip.
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