一种在二维硅氧化合物中实现极化有序的普适方法技术

本发明专利技术提供了一种在二维硅氧化合物中实现极化有序的普适方法。本发明专利技术的普适方法包括如下步骤：S1：构建二维硅氧化合物并进行结构优化；S2：将插入原子插入步骤S1优化后的结构中并进行结构优化；S3：计算步骤S2优化后的结构的声子振动谱并进行虚频振动矢量分析，分析极化畸变结构后进行结构优化；S4：根据步骤S3优化后的结构计算声子振动谱，找出稳定结构；S5：对步骤S4的稳定结构进行对称分析，确认具有铁电/反铁电极化有序的新结构。本发明专利技术的普适方法在二维硅氧化合物中实现了铁电极化，有利于推动基于硅基纳米电子学器件与铁电存储电子学器件应用领域的发展。电子学器件应用领域的发展。电子学器件应用领域的发展。

【技术实现步骤摘要】
一种在二维硅氧化合物中实现极化有序的普适方法


[0001]本专利技术涉及低维硅基电子器件与铁电器件
，尤其是涉及一种在二维硅氧化合物中实现极化有序的普适方法。

技术介绍

[0002]铁电材料具有外场调控可翻转的极化状态，在传感器、光电器件与存储等领域具有较高应用价值。然而，块体铁电材料(例如最常见的钙钛矿族材料等)由于退极化场，在厚度减薄到一定程度时，其极化往往会消失，不利于现代高密度纳米器件的发展需求。近年来，二维铁电材料逐渐发展起来并被理论证实具有非零的极化大小；然而，实验证实的二维铁电材料仅限于两三种，大大限制了相关领域的发展。
[0003]氧化硅(即硅的氧化物)是自然界硅存在的最常见形式之一。氧化硅具有比较稳定的化学性质，不容易与水氧反应，同时具有较好的耐火、绝缘等性质。氧化硅具有多种应用途径，包括但不限于玻璃、光纤维以及介电绝缘等。作为高介电常数材料，硅氧化合物在硅基电子学器件中扮演着重要角色。近年来，随着生长技术的发展，二维硅氧化合物成功地被制备并表征，其不仅可以生长在半导体表面，从而可借助半导体工艺进行大规模制备，还可以通过剥离产生自支撑二维硅氧化合物，从而可与其他二维材料形成异质结以制备纳米级别的多功能器件。这些都为纳米硅基器件奠定了一定的基础。
[0004]虽然二维硅氧化合物具有多种结构，但都不具有本征的极化性质。如果能在二维硅氧化合物中实现铁电/反铁电极化有序，将有望针对单相、二维的硅氧化合物进行多功能器件设计，例如铁电硅基光电器件、铁电硅基存储器件等。
[0005]鉴于此，特提出本专利技术。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种在二维硅氧化合物中实现极化有序的普适方法，该普适方法能够在二维硅氧化合物中实现铁电极化。
[0007]本专利技术提供一种在二维硅氧化合物中实现极化有序的普适方法，包括如下步骤：
[0008]S1：构建二维硅氧化合物并进行结构优化；
[0009]S2：将插入原子插入步骤S1优化后的结构中并进行结构优化；
[0010]S3：计算步骤S2优化后的结构的声子振动谱并进行虚频振动矢量分析，分析极化畸变结构后进行结构优化；
[0011]S4：根据步骤S3优化后的结构计算声子振动谱，找出稳定结构；
[0012]S5：对步骤S4的稳定结构进行对称分析，确认具有铁电/反铁电极化有序的新结构。
[0013]在本专利技术中，根据二维硅氧化合物孔洞的大小选择半径较小且容易实现插入的原子作为插入原子，插入原子的半径小于二维硅氧化合物的孔洞大小，例如可以为锂原子。此外，插入原子的插入位置可以根据二维硅氧化合物的孔洞大小与数量决定，例如可以选择
在高对称的大孔洞位置进行插入，插入数量可以与孔洞数量保持一致。在实验中，金属锂的插入可以采用常规方式，例如锂离子固体调控等(因此具有可行性)。将锂原子插入优化后的二维硅氧化合物中形成锂s电子与二维硅氧化合物p电子之间的杂化耦合，通过诱发声子软膜实现铁电/反铁电极化有序。
[0014]在本专利技术中，二维硅氧化合物可以采用常见的二维硅氧化合物，具有较大的孔状结构，不仅可以是二维自支撑结构，也可以是衬底支撑结构，且两种情况无需结构完全一样。具体地，二维硅氧化合物可以为自支撑二维硅氧化合物和衬底支撑二维硅氧化合物中的至少一种。二维硅氧化合物中硅与氧的比例往往满足1：2或接近1：2，例如可以为1：(2
‑
2.5)，以实现sp2到sp3的杂化，从而在二维极限下实现较为大的孔洞结构。
[0015]在本专利技术中，自支撑二维硅氧化合物为自支撑二维六角Si4O8；衬底支撑二维硅氧化合物为SiC支撑二维Si2O5。
[0016]进一步地，针对自支撑二维硅氧化合物：步骤S1优化后的结构的晶格常数为：步骤S2优化后的结构的晶格常数为：针对衬底支撑二维硅氧化合物：优化后的结构保持衬底的晶格常数。
[0017]在本专利技术中，自支撑二维硅氧化合物的构建方法可以包括：
[0018]a)分别构建二维蜂窝
‑
笼目硅氧结构和氧原子蜂窝结构；
[0019]b)将上下两层二维蜂窝
‑
笼目硅氧结构通过氧原子蜂窝结构进行连接。
[0020]此时，自支撑二维硅氧化合物的上层和下层为二维蜂窝
‑
笼目硅氧结构，上层与下层共享中间的氧原子蜂窝结构。
[0021]在本专利技术中，衬底支撑二维硅氧化合物的构建方法可以包括：
[0022]a)分别构建二维蜂窝
‑
笼目硅氧结构和氧原子蜂窝结构，将二维蜂窝
‑
笼目硅氧结构通过氧原子蜂窝结构进行连接；
[0023]b)对碳化硅进行切割，采用氢原子对底层断键进行饱和以裸露最上层的硅原子表面，对硅原子表面进行重构；
[0024]c)将步骤a)、b)的结构进行晶格匹配并连接。
[0025]进一步地，对硅原子表面进行重构包括：对硅原子表面进行30
°
转角和根3重构。
[0026]步骤S5中，对称分析需要分析对应点群的极性，并且具有极化相翻转可能性，同时还需极化相能量低于母结构。
[0027]在本专利技术中，利用VASP软件包，并采用PAW
‑
PBE进行第一性原理计算。由于存在氧原子，所取平面波的截断能为550eV。计算收敛标准为：能量1
×
10
‑6eV与力硅氧化合物是二维结构，因此计算采用slab模型，并采用了的真空层。对于原胞结构，计算采用7
×7×
1k点网格。利用有限位移方法与phonopy软件计算声子振动谱。需要说明的是，本专利技术的方法不局限于这些软件，只需保证结构的正确优化与表征，并保证振动谱的准确性即可。
[0028]本专利技术的实施，至少具有以下优势：
[0029]1、本专利技术通过在二维硅氧化合物中插入小原子，实现锂原子等小原子s轨道与硅氧p轨道的杂化耦合，实现了锂原子的畸变位移，进而实现了新的有序相，即铁电/反铁电极化有序，实现稳定的极化有序结构；
[0030]2、本专利技术设计了一种在非极化二维硅氧化合物半导体中实现极化有序的普适方法，该方法容易在非极性硅氧化合物中引入极化，有利于结合硅基电子学与铁电电子学并设计出更高效的多功能硅基纳米电子学器件，推动了基于硅基纳米电子学器件与铁电存储电子学器件应用领域的发展。
附图说明
[0031]为了更清楚地说明本专利技术具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0032]图1为自支撑二维硅氧化合物的结构示意图；
[0033]图2为锂原子于高对称孔洞插入后的自支撑二维硅氧化合物的结构示意图；
[0034]图3为锂原子于高对称孔本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种在二维硅氧化合物中实现极化有序的普适方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：构建二维硅氧化合物并进行结构优化；S2：将插入原子插入步骤S1优化后的结构中并进行结构优化；S3：计算步骤S2优化后的结构的声子振动谱并进行虚频振动矢量分析，分析极化畸变结构后进行结构优化；S4：根据步骤S3优化后的结构计算声子振动谱，找出稳定结构；S5：对步骤S4的稳定结构进行对称分析，确认具有铁电/反铁电极化有序的新结构。2.根据权利要求1所述的普适方法，其特征在于，插入原子的半径小于二维硅氧化合物的孔洞大小；优选地，插入原子为锂原子。3.根据权利要求2所述的普适方法，其特征在于，将锂原子插入优化后的二维硅氧化合物中形成锂s电子与二维硅氧化合物p电子之间的杂化耦合，通过诱发声子软膜实现铁电/反铁电极化有序。4.根据权利要求1所述的普适方法，其特征在于，二维硅氧化合物为自支撑二维硅氧化合物和衬底支撑二维硅氧化合物中的至少一种。5.根据权利要求4所述的普适方法，其特征在于，二维硅氧化合物中硅与氧的比例为1：(2
‑
2.5)以实现sp2到sp3的杂化。6.根据权利要求4所述的普适方法，其特征在于，自支撑二维硅氧化合物为自支撑二维六角S...

【专利技术属性】
技术研发人员：周苗，华陈强，
申请(专利权)人：北京航空航天大学杭州创新研究院，
类型：发明
国别省市：