铁电材料从发现至今已经有了超过一百年的历史，一百年来人们对于新型铁电材料及其独特铁电性的研究热情始终不减。近年来，以CuInP₂S₆和In₂Se₃为代表的范德华层状二维铁电材料的出现使得人们能在超薄纳米尺度下获得稳定的铁电极化，从而极大地拓展了铁电材料在高集成度小型化铁电器件方面的应用前景。在对于二维铁电材料的研究中，通过第一性原理计算开展对于低维材料数据库的高通量模拟，则可以高效地筛选出可供实验合成的新型二维铁电材料，并为实现基于二维铁电材料的高集成度、小型化和多功能的电子信息器件奠定研究基础。

西安交通大学缑高阳研究员与西安电子科技大学郝跃院士团队开展合作，通过第一性原理计算开展对于低维材料数据库的高通量筛选，并结合分子动力学和蒙特卡洛模拟首次证实，ZrOI₂为在室温下具备稳定面内铁电极化的二维铁电半导体材料。由于该体系沿面内两方向独特的成键方式，具备了明显的面内各向异性，从而可实现对于入射单色光偏振方向100%选择性的光吸收(即线性二色性)。同时源自于I元素的强自旋-轨道耦合作用会为体系带来明显的自旋电子学效应：体系的价带顶的能带会沿着特定方向发生自旋选择性的劈裂，生成了具备特定取向的电子自旋极化。当通过外加电场改变铁电极化的取向时，体系的自旋极化也会发生翻转。因此ZrOI₂具备外电场调控自旋自由度的独特属性，从而可应用于低维自旋场效应管和新型自旋电子学器件。

图1  ZrOI₂二维铁电材料的晶体结构示意图，以及从高对称顺电相到低对称铁电、反铁电相发生的结构相转变。

图2 通过分子动力学和蒙特卡洛方法开展有限温度下的铁电极化的模拟。模拟结果表明ZrOI₂二维铁电材料能够在室温下具有非零的铁电极化强度。

图3  ZrOI₂为典型的半导体材料。阳离子Zr-d轨道沿着面内的两个方向分别与I-p轨道产生完全不同的杂化，从而只能吸收沿面内某一特定方向偏振的入射单色光(光子能量约3.23 eV，表现出典型的线性二色性。

图4  由于体系中铁电极化和强自旋-轨道耦合作用共存，ZrOI₂的价带能带沿着特定方向发生自旋选择性的劈裂，形成了具有面外自旋极化的能带分支。当外通过外加电场改变铁电极化的取向时，电子自旋极化的方向也随之翻转，从而实现外电场对于体系自旋自由度的有效调控。

缑高阳，西安交通大学前沿科学技术研究院特聘研究员，西安电子科学技术大学“量子信息协同创新中心”客座研究员。缑高阳采用第一性原理和量子力学方法，对铁电半导体材料的理论设计和器件性能开展创新研究，以第一/通讯作者的身份在J. Am. Chem. Soc., ACS Nano, Nano Energy, Nano Research, Chem. Mater., Nanoscale Horiz., Mater. Today Phys.等期刊共发表文章三十余篇，论文总共被引用1500余次。

郝跃，中国科学院院士，西安电子科技大学微电子学院教授，曾荣获“何梁何利”科学技术奖，陕西省最高科学技术奖，获得国家技术发明二等奖1项、国家科技进步二等奖2项。郝跃院士长期从事新型宽禁带半导体材料和器件、微纳半导体器件与高可靠性集成电路等方面的科学研究与人才培养。郝跃院士及其团队开拓、引领了我国第三代半导体电子器件与材料的发展，创建了我国第三代半导体氮化镓外延生长、器件结构以及制造工艺的理论与技术体系，实现了我国氮化物半导体从核心设备、材料到器件的重大创新。

Niuzhuang Yang, Gaoyang Gou^*, Xiaoli Lu & Yue Hao^*, Linear dichroism and polarization controllable persistent spin helix in two-dimensional ferroelectric ZrOI₂ monolayer. Nano Research https://doi.org/10.1007/s12274-022-4206-9.

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