Emergence of Improper Electronic Ferroelectricity and Flat Band in Twisted Bilayer Tl2S

铁电性 凝聚态物理 范霍夫奇点 偶极子 电子结构 物理 费米能级 极化(电化学) 电子能带结构 电子 双层 声子 材料科学 电介质 化学 量子力学 生物化学 物理化学
作者
Zhigang Gui,Wei Li,Li Huang
出处
期刊:Nano Letters [American Chemical Society]
卷期号:24 (10): 3231-3236 被引量:3
标识
DOI:10.1021/acs.nanolett.4c00141
摘要

Two-dimensional (2D) ferroelectrics possessing out-of-plane (OP) polarization are highly desirable for applications and fundamental physics. Here, by first-principles calculations, we reveal that large-angle interlayer twisting can efficiently stabilize an unexpected ordering of sizable electric dipoles, producing OP polarization out of the centrosymmetric ground-state structure of Tl2S, in great contrast to the recently proposed interlayer-sliding ferroelectricity. The ferroelectricity originates from a nonlinear coupling between a polar order dominantly contributed by electrons and an unstable phonon mode associated with a commensurate k point (1/3, 1/3, 0) in the two constituent monolayers, therefore indicating an improper and electronic ferroelectric nature. More interestingly, a flat band and a van Hove singularity occur in its electronic structures just below the Fermi level in the large-angle twisted bilayer Tl2S. The unusual coexistence of improper electronic ferroelectricity, a flat band, and a van Hove singularity in one 2D material offers exceptional opportunities for exploring novel physics and applications.
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