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由于導(dǎo)電電子的屏蔽作用，鐵電性和金屬性一般不能共存。鐵電金屬在自然界中非常罕見，但卻表現(xiàn)出各種獨特的性質(zhì)，如非常規(guī)的超導(dǎo)性、獨特的光學響應(yīng)和磁電效應(yīng)。過渡金屬硫族化合物MTe?系列材料具有穩(wěn)定的層狀結(jié)構(gòu)1T/1T’相，由于空間反演對稱性存在而缺乏自發(fā)極化。由于其獨特的層間相互作用，范德瓦爾斯（vdW, van der Waals）層狀材料滑移鐵電機理早在2017年被研究者提出，但一直沒有被觀測到。最近研究人員在多層WTe?半金屬材料中直接觀察到鐵電翻轉(zhuǎn)，燃起了人們對層間滑移鐵電的希望。MTe?系列材料的多層結(jié)構(gòu)為研究滑移鐵電和金屬鐵電提供了理想的平臺。

最近，中國科學院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心HM-T03組王志俊研究員指導(dǎo)博士生盛昊昊，構(gòu)建了具有vdW堆疊的過渡金屬硫族化合物 (MTe?, M = Pt, Pd和Ni)的180度雙層結(jié)構(gòu)（π bilayer），其中上下兩層通過C_2z旋轉(zhuǎn)聯(lián)系，并通過第一性原理計算預(yù)言了這些180度雙層結(jié)構(gòu)具有金屬鐵電性[1]，如圖1所示。研究表明：1. 雖然單層結(jié)構(gòu)是有能隙的絕緣體，但是該雙層結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為金屬性；2. 這些雙層結(jié)構(gòu)的鐵電相分別為相對位移v=(1/3,2/3)和(2/3,1/3)的結(jié)構(gòu)，鐵電極化在面外方向；3. 該垂直極化的翻轉(zhuǎn)可以通過層間滑動來實現(xiàn)，能壘非常低；4. 改變載流子濃度可以顯著調(diào)節(jié)這些鐵電金屬的垂直極化大小和方向。此外，我們認為層間電荷轉(zhuǎn)移是金屬性和垂直極化的起源，這些性質(zhì)與空間擴展的Te-p_z軌道密切相關(guān)。此類180度雙層結(jié)構(gòu)廣泛存在于自然界中，如1T’/T_d-MoTe?（電荷摻雜誘導(dǎo)超導(dǎo)）、α-Bi?Br?（單層具有拓撲邊緣態(tài)）等，使得我們能夠操縱鐵電性與其他性質(zhì)(如超導(dǎo)和拓撲)之間的相互作用。

圖1、MTe??π bilayer的(a)-(b)結(jié)構(gòu)，(c)-(e)能量與極化面，(d)-(f)鐵電翻轉(zhuǎn)路徑的能壘與極化, (g) π雙層的示意，(h)極化與摻雜的關(guān)系。

該項研究成果預(yù)言了一類金屬鐵電，它們在功能納米器件中有潛在的應(yīng)用。相關(guān)成果以“Ferroelectric metals in 1T/1T’?-phase transition metal dichalcogenide MTe??bilayers (M = Pt, Pd, and Ni)”為標題已在線發(fā)表在《Physical Review B》上。該工作得到了國家自然科學基金委和中國科學院等項目的資助。

圖2、(a)單層PtTe_1.75結(jié)構(gòu)示意圖，(b)不考慮自旋軌道耦合的投影能帶，(c)考慮自旋軌道耦合的能帶和能隙對應(yīng)的Z?拓撲數(shù)，(d)高效的析氫反應(yīng)的示意圖。

此外，研究小組還報道了具有有序Te空位缺陷的 PtTe?材料（PtTe_1.75）是一種既具有大且可調(diào)自旋霍爾電導(dǎo)，又表現(xiàn)出高效析氫活性的非常規(guī)二維材料[2]，如圖2所示。同時為尋找大自旋霍爾電導(dǎo)的體系提供了新思路——在大自旋軌道耦合體系中引入缺陷。文章以題為“Large Spin Hall Conductivity and Excellent Hydrogen Evolution Reaction Activity in Unconventional PtTe_1.75 Monolayer”發(fā)表在《Research》上 (Research, 2023,6:0042)。

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【DFT】二維PtTe?系列材料的金屬鐵電性研究進展

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