二次元強誘電体材料で二重分極挙動を発見(Researchers Discover Dual Polarization Behavior in a Two-Dimensional Ferroelectric Material)

2026-09-24 合肥物質科学研究院(HFIPS)

中国科学院合肥物质科学研究院の尹丽华教授らは、二次元物質TlGaS₂(硫化ガリウムタリウム)が、面内方向と面外方向の双方に分極を示す「二重分極」挙動を持つことを発見した。高品質単結晶を作製し、誘電測定や赤外分光などで物性を調べた結果、TlGaS₂は強誘電体になる直前の「インシピエント強誘電」状態を示し、特に面内方向の応答が強いことが判明した。また75 K以下では、量子強誘電性と関連する軟フォノンモードを確認。温度変化に伴う複数の弱い構造変化も検出されたが、通常の相転移に見られる明瞭な熱容量変化はなく、局所的な構造再配列や弱い秩序化による可能性が示された。本研究は、二次元強誘電材料の種類を広げ、多機能デバイスへの応用に向けた物性理解を進展させる成果である。

二次元強誘電体材料で二重分極挙動を発見(Researchers Discover Dual Polarization Behavior in a Two-Dimensional Ferroelectric Material)
Schematic 2D layered crystal structure of TlGaS2 (left panel). Temperature-dependent in-plane dielectric constant and image of the TlGaS2 single crystal (right panel). (Image by YIN Lihua)

<関連情報>

二次元層状構造における初期強誘電挙動と構造相転移TlG1S2 Incipient ferroelectric behavior and structural phase transitions in two-dimensional layered TlGaS2

A. D. Molchanova, L. H. Yin, L. P. Gao, W. H. Song, Y. P. Sun, K. R. Allahverdiyev, and M. N. Popova
Physical Review B  Published: 4 September, 2026
DOI: https://doi.org/10.1103/82bg-5mt2

Abstract

The coexistence of out-of-plane and in-plane electric polarization is rare in two-dimensional (2D) ferroelectric materials, yet the two configurations offer distinct advantages for ferroelectric-based devices. Here, we report the coexistence of in-plane and out-of-plane incipient ferroelectricity, along with various phase transitions, in 2D van der Waals layered TlGaS2 single crystal. Detailed investigation of the incipient ferroelectric soft-mode behavior reveals a close correlation between the incipient ferroelectricity and the off-center displacement of T⁢l1+ ions with 6⁢2 lone pairs in TlGaS2. Anomalies near temperatures of about 75, 120, 180, and 220 K in infrared spectra, together with the absence of anomalies in the temperature-dependent specific heat, indicate the existence of local or weak long-range structural transitions in TlGaS2. Our results provide important experimental evidence for elucidating the phase transitions and coexistence of in-plane and out-of-plane incipient ferroelectricity in 2D layered TlGaS2.

0403電子応用未分類
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