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一个世纪以前，闪锌矿（zb）和纤锌矿（wz）半导体被发现并得到了人们的高度关注。受益于优异的电子结构特性，这些化合物（如CdSe、ZnS等）在半导体工业中扮演着重要的角色，并引领了现代高速电子信息产业的发展。
这些传统半导体可以通过许多方法来制备，总体归结为两种范式，即自下而上（bottom-up）和自上而下（top-down）的策略。前者是以做加法的方式，凭借较小的结构单元（如单个原子或分子）构建较大的结构体系，而后者是以减法方式裁切较大的材料至目标结构，以上是当下半导体制造中实现丰富器件结构和集成电路的经典途径。
随着人们对材料的小型化、智能化、新颖性和优越性要求的不断攀升，这些传统块状材料的尺寸逐渐被缩小，例如一维纳米线和二维纳米片。近些年来，二维材料在促进科技进步和产业转型方面表现出尤为显著的影响。从晶体结构的角度来看，二维材料可分为两类，即层状范德华材料和非范德华（非层状）材料。目前，大多数单层材料都是从其层状母体中获得的，例如MoS2和黑磷。对于实验中已知的三维晶体，只有一小部分呈现出层状结构，而大部分是非层状的。
尽管大量的非层状材料呈现出丰富的物性，但实现其单层结构仍然是一个巨大的挑战。因为人们通常认为：打破非层状晶体内的强化学键是分离单层的必要条件，而层状材料只需要克服较弱的范德华相互作用即可实现剥离。然而，值得注意的是非层状晶体中不同晶面原子的键合形式是不相同的。因此，令人深思的是，在非层状材料中是否存在某种较“软”的晶面结构，使垂直于该晶面的单层结构可以很容易实现分离。
图1. （a, b）本征铁电/铁弹耦合实现单层wz材料的可切换相变；（c）步进剥离法观察（110）晶面剥离过程中结构的动态演化；（d）可切换的各向异性一维Rashba自旋劈裂；（e）相控场效应晶体管原型。
针对该问题，我们系统研究了纤锌矿材料的晶面特征，并发展了一种全新的步进剥离法，可以快速找到材料较“软”的晶面，并准确定位晶面分离发生的位置以判断材料是否可以剥离出二维形态，同时给出晶面分离临界点处界面耦合重构的细节，描绘出整个剥离过程原子成键/断键及组态波函数的动态演化图像，大大加快了二维材料的研发效率。基于该方法并结合高通量计算，我们筛选出了一系列单层wz材料，其结构独特的“自治愈”特征为半导体bottom-up制备工艺提供了一条新思路，例如直接堆垛形成器件，层间旋转键合形成新型的非范德华莫尔超晶格，以及厚度精确可控的超薄二维结构等。
更重要的是，这些单层wz材料中本征铁电/铁弹耦合可以产生四种自由切换的相，且具有较低的可切换相变势垒(~30 meV/atom）。由于(110)晶面成键相互作用被削弱，这些单层wz材料表现出与常见二维范德华材料（例如石墨烯，MoS2等）相当的剥离能。同时，他们具有显著的面内负泊松比（起源于其褶皱的面内三角形堆叠），其中三种结构（ZnSe, ZnTe, CdTe）的负泊松比超过了-0.6，ZnTe甚至达到了-0.898。从能带上看，单层wz材料具有直接带隙的特征，而且价带顶附近呈现出很强的一维Rashba自旋劈裂。这些优异性质被单层wz材料的可切换相变特征紧密地锁在了一起，从而实现各向异性的负泊松比、自旋劈裂、多铁特性的自由切换。
相关结果以“Multiferroicity and giant in-plane negative Poisson’s ratio in wurtzite monolayers”为题发表于npj Computational Materials，深圳大学为第一单位，青年教师黄浦为论文通讯作者，博士研究生马壮为第一作者。该工作得到了国家自然科学基金，深圳市科技创新委员会和深圳大学高水平大学建设基金项目的支持。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41524-022-00740-8
团队简介：
团队以实际应用为导向，聚焦真实半导体材料的光、电、力、自旋等一系列性质，着重关注材料的微结构演化和外场调控，借助高通量方法预测新结构，发现新现象和新效应，并基于此设计新型功能化器件。团队长期招收博士/硕士研究生和博士后，欢迎对半导体物理、化学、程序设计等方面感兴趣的同学加入我们，亦欢迎半导体学术界和产业界的各位朋友沟通交流，一起推动我国半导体事业的前进。
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