近日，我院先进电子与智能天线团队在二维纤锌矿铁电相变和外场调控研究方面取得最新进展，相关结果以“Giant spin splitting and in-plane multiferroicity in wurtzite monolayer hidden phases”为题发表于Nature旗下计算材料科学顶刊《npj Computational Materials》，深圳大学为第一单位。

图1.纤锌矿（0001）晶面的对称性破缺机制与隐藏的铁电相。

以III-V族材料为代表的纤锌矿（wurtzite, wz）化合物半导体因其独特的四面体配位结构和优异的本征性能，在电子学、压电电子学和光子学等领域中发挥着重要作用。wz晶体天然缺乏中心对称性，因而具有显著的压电效应与自发极化，同时具备高载流子迁移率，优异的热稳定性，并与传统半导体工艺兼容，使其成为高频与射频器件、功率电子器件、非易失性存储以及存算一体架构芯片的核心材料体系。然而，wz材料的铁电应用受限于较高的极化翻转势垒和接近介电击穿极限的矫顽电场。为降低铁电翻转势垒，目前主要有两条研究路径：一是通过合金化、掺杂或应变工程来改性已有的wz材料（如AlN、ZnO）；二是探索具有本征低翻转势垒的新型wz型化学体系。然而，这些方法往往会改变材料的固有性质。传统wz铁电翻转依赖四面体阳离子沿c轴跨越中心对称的六元环中间相（P63/mmc ），该过程中因悬挂键的存在导致能量代价显著增加。近期研究表明[Nature641, 76-82 (2025)]，在wz（0001）晶面的超薄结构中可能形成起伏的二维六角相，从而诱导面内铁电翻转。但我们团队研究发现，受到结构对称性的限制，六角相在（0001）晶面只允许面外极化。要实现真正的面内铁电，需要进一步破坏旋转对称性和镜面对称性，使正负电荷中心沿横向产生有效分离。这意味着Nature论文关于wz（0001）面内铁电的实验结论并不完备[Nature 641, 76-82 (2025)]，面内铁电性很可能“隐藏”于未知的二维极性结构中，而非材料的本征相态。

针对wz材料应用面临的关键挑战和这一基本物理问题，我们团队提出了一条适用于wz（0001）晶面实现面内铁电极化的对称性破缺判据，并基于优化的第一性原理分子动力学方法，对可能的晶面原子构型进行了系统搜索，筛选出一系列二维极性铁电相。沿着这一策略，团队共识别出15种二维wz结构，包括11种铁电相和4种中心对称相。其中，两种此前未知的铁电相Abm2 和Pmc21 不仅处于最低能量状态，还可通过（0001）晶面的原子滑移实现二维结构剥离，其剥离能最低可达0.012 eV/Å2，与典型的范德华材料相当。这些二维wz材料不仅呈现出多种铁性序，还展现出优异的电子和自旋特性，包括巨大的自旋劈裂，超高的载流子迁移率，半金属与半导体之间的可逆转变，覆盖0–4.57 eV的宽带隙范围，以及24种非易失铁电态（4.58 bit/unit）。更重要的是，二维wz材料的面内铁电相变可通过过渡态实现精准调控，使铁电翻转势垒降低至3 meV/atom、矫顽电场降至0.6–1.0 MV/cm，并实现对带边100%自旋极化的全电学操控。该研究不仅揭示了wz体系中面内铁电的基本物理机制，也呈现了二维wz材料在铁电/多铁电子学与自旋电子学器件中的巨大应用潜力。相关研究成果近期发表于npj Computational Materials（2025，DOI: 10.1038/s41524-025-01884-z），2023级硕士研究生陈松育为论文第二作者（导师一作），黄浦副教授为通讯作者。

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41524-025-01884-z

该工作得到了国家/广东省/深圳市自然科学基金，深圳市孔雀团队与深圳大学2035计划项目的支持。