摘要
铁性材料分为铁电材料、铁磁材料和铁弹材料，其序参量电极化、自旋极化和结构应变可分别在外部电场、磁场和应力作用下进行切换。多铁材料为同时具有两种或两种以上铁序的材料。二维材料具有超薄厚度、表面无悬挂键和量子限域效应导致的新奇物性。作为两者的结合，二维铁性/多铁材料近年来吸引了研究人员的广泛研究热情，被认为在存储器、传感器、制动器、自旋电子器等电子器件领域都具有较好的应用前景。目前，实验上陆续合成了纳米尺寸厚度甚至是单层的二维铁电材料、二维铁磁材料与二维多铁材料，但目前二维铁性/多铁材料的研究仍处于初步探索阶段，还需要从理论预测角度发掘具有优异性能的、具有实验合成潜力的材料。基于以上背景，本文利用基于密度泛函理论的第一性原理计算，研究了几类二维铁性/多铁材料的结构与物理性质。主要内容包括:预测了一类具有类磷结构的新型二维MX铁电材料，探究了铁电性、压电性与结构、元素组成的关联规律，并进一步设计了由二维新型铁电材料构建的面内铁电隧道结器件;研究了同时具有半拉胀效应和铁弹性的二维单相材料。除此之外，本文还预测了新型二维M2RX2多铁材料，并分析其多铁性来源。主要研究成果如下: 一、铁电材料具有可以由外电场切换极化方向的自发电极化。具有相对较低的铁电翻转势垒和较大铁电极化值的铁电材料，在非易失存储器件、传感器、铁电场效应晶体管等器件中有着巨大的应用潜力。其中，具有10个价电子的MX二元化合物，具有多种空间反演对称性破缺的晶体结构，以及铁电性、压电性、多铁性等优异的性质。本章工作基于密度泛函理论的高通量计算，预测了 39种具有类黑磷α相、类蓝磷β相和类GeSeγ相的新型二维MX铁电材料（M:Ⅲ-Ⅴ族元素;X:Ⅴ-Ⅶ族元素），其中有七种材料（α-SbP、α-SbAs、α-BiAs、α-BiSb、γ-AsP、γ-BiAs 和 γ-BiSb）的铁电翻转势垒低于 0.3eV/f.u.、铁电极化值高于2×10-10C/m以及高于凸包线的能量低于0.2eV/atom。同时，进一步分析了二维MX铁电材料的铁电性和压电性与元素电负性差之间的关联规律，预测了面内铁电隧道结α-Sb（Sn）P/α-SbP/α-Sb（Te）P中较大的隧穿电致电阻效应（TER=1.26×104％）及α-SnTe材料中较大的压电应变系数（d11=396 pm/V）,为非易失性电阻存储器和高性能压电器件的设计提供了有价值的参考。 二、当施加纵向压缩（拉伸）应变时，通常情况下材料会横向膨胀（收缩）;然而具有负泊松比的拉胀材料在施加纵向压缩（拉伸）应变时，会横向收缩（膨胀）。本章工作理论预测了 P2mm型TiSe，它与只具有正泊松比或负泊松比的材料不同，无论是施加纵向单轴拉伸应变还是单轴压缩应变，它都会发生横向膨胀。第一性原理计算的结果表明，这种独特的半拉胀效应，是由相邻的Ti原子与Se原子和相邻的Ti原子与Ti原子之间的最近邻相互作用共同导致的。此外，通过施加外部应力可以使TiSe在两个不同的晶体结构之间进行转换。进一步的分析表明，由于姜泰勒效应的影响，Ti原子的dxz轨道和dyz轨道的简并性被打破，导致更多的电子占据更低的能量轨道，从而实现TiSe从高对称相结构到低对称相铁弹结构的铁弹性转变，其铁弹翻转势垒为0.25 eV/atom。该工作发现了同时具有半拉胀效应和铁弹性的罕见单相材料，为未来二维纳米尺寸的多功能器件提供了候选材料。 三、磁电多铁材料同时结合铁电性能和磁性，具有磁电耦合、拓扑有序和热霍尔效应等新奇的性质。通过高通量第一性原理计算，本章工作预测了稳定的二维多铁材料FE-ZB''V2NR2（R=I,Br）。其磁性来源于V原子d轨道间的反铁磁耦合，并且由于空间反演对称性破缺和强自旋-轨道耦合产生的Dzyaloshinskii-Moriya相互作用，FE-ZB''V2NBr2具有类似磁畴的磁构型，在面外磁场作用下还会出现类似斯格明子形态的磁构型。进一步的研究表明，由于姜泰勒效应的影响，结构畸变和电荷重新分布会在V2NI2中引入本征的铁电性，当施加面内双轴应变至4％时，会在V2NBr2中引入应力诱导的铁电性。该工作扩充了强磁电耦合的二维多铁材料家族，并且扩展了新型反铁磁的磁构型研究。
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