Tunable sliding ferroelectricity in two-dimensional van der Waals RuX2 (X = Cl, Br, and I) multiferroic layers

多铁性 铁电性 范德瓦尔斯力 材料科学 凝聚态物理 结晶学 物理 化学 光电子学 电介质 量子力学 分子
作者
Peng Han,Jingtong Zhang,Xumin Chen,Jie Wang
出处
期刊:Applied Physics Letters [American Institute of Physics]
卷期号:126 (8)
标识
DOI:10.1063/5.0249647
摘要

Two-dimensional (2D) van der Waals (vdW) materials offer vast potential for designing ferroelectrics with desired properties through simple layer stacking. Here, based on first principles, we demonstrate that the vdW layered crystals RuX2 (X = Cl, Br, and I) are a class of 2D multiferroic sliding ferroelectrics. The stacking of two magnetic RuX2 monolayers with the same orientation breaks the spatial inversion symmetry, resulting in a stable vertical polarization. In addition, the direction of polarization can be reversed through slight interlayer sliding, in which it only needs to overcome the small energy barrier of 7.16 meV. Among these layered crystals, the bilayer RuI2 not only possesses a remarkable sliding ferroelectricity of 0.49 pC/m but also exhibits stable long-range magnetic order due to its large magnetic anisotropy energy. When the RuI2 stack is increased to trilayers, the polarization significantly increases to 1.03 pC/m, which is much larger than that of its bilayer structure. Furthermore, the application of compressive strain results in a substantial increase in vertical polarization. This work provides an efficient method for designing 2D multiferroic sliding ferroelectric materials by stack engineering.
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