传统的铁电材料往往是两种或以上元素组成的化合物。最近，单质二维Bi烯由于不完全的sp³杂化，引起了特殊的晶格畸变以及Bi原子间的电荷转移，打破了晶格对称性，诱发出奇异的单元素铁电体及其铁电极化。同时，Bi烯的强自旋轨道耦合效应（SOC）与铁电性相耦合，使之成为特殊的二维铁电拓扑绝缘体，有望在新型自旋电子器件中得到应用。然而，材料的本征界面缺陷（晶界、畴界、自由表面等）可以显著影响材料的电子结构，例如钙钛矿型铁电薄膜材料由于表面束缚电荷改变表面态电子结构，因而导致铁电性的尺寸效应。类似体材料的表面，二维材料存在的边缘（edges），是一种典型的结构缺陷。因此，研究边缘对二维Bi烯电子结构以及铁电极化的影响，对元素铁电体Bi烯的实际应用具有重要意义。

近日，西安交通大学材料学院的邓俊楷教授课题组与澳大利亚墨尔本大学刘哲教授合作，基于不同宽度、不同取向的二维Bi烯纳米带，系统的研究了边缘结构及宽度尺寸对Bi烯铁电极化的影响。研究结果表明，纳米带边缘存在明显的边缘重构，改变了成键方式。更为重要的是，在较窄的Bi烯纳米带中存在边缘诱发的结构相变，原本低对称结构会自发转变为一种高对称、去极化的新结构，表现出铁电相到顺电相的转变。同时，在特定宽度下铁电相和顺电相之间存在能垒，可以实现共存。进一步的研究表明，对于zigzag型边缘的纳米带，其自发相变的驱动力是退极化场，与钙钛矿型铁电薄膜中的退极化现象具有类似的机理。然而，对于armchair型边缘的纳米带，自发相变是由边缘应力主导，展现出通常认为的局部边缘应力，引起纳米带整体结构发生转变的新奇现象。最后，受边缘应力诱发铁电相变的启发，研究人员对顺电相和铁电相纳米带施加单轴应变，诱导纳米带在铁电相和顺电相之间发生转变。应变调控不同极化状态的Bi烯纳米带有望在非易失性铁电存储器、传感器等微纳电子器件中得到应用。

本项研究成果以“Size Limiting Elemental Ferroelectricity in Bi Nanoribbons: Observation, Mechanism, and Opportunity”为题发表在SCI期刊The Journal of Physical Chemistry Letters（IF= 6.9）上。西安交通大学为本论文的第一作者和第一通讯单位，论文第一作者洪云飞是材料学院邓俊楷教授培养的博士生。本项研究得到了国家自然科学基金面上项目、陕西省重点研发计划、创新引智111计划2.0项目的资助。研究也得到西安交通大学校级高性能计算平台、西安未来人工智能计算中心提供的超算算力和技术支持。

    论文链接：http://dx.doi.org/10.1021/acs.jpclett.3c00376