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【DFT】二維PtTe?系列材料的金屬鐵電性研究進展

由于導電電子的屏蔽作用,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,但卻表現出各種獨特的性質,如非常規的超導性、獨特的光學響應和磁電效應。過渡金屬硫族化合物MTe?系列材料具有穩定的層狀結構1T/1T’相,由于空間反演對稱性存在而缺乏自發極化。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,燃起了人們對層間滑移鐵電的希望。MTe?系列材料的多層結構為研究滑移鐵電和金屬鐵電提供了理想的平臺。
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最近,中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心HM-T03組王志俊研究員指導博士生盛昊昊,構建了具有vdW堆疊的過渡金屬硫族化合物 (MTe?, M = Pt, Pd和Ni)的180度雙層結構(π bilayer),其中上下兩層通過C2z旋轉聯系,并通過第一性原理計算預言了這些180度雙層結構具有金屬鐵電性[1],如圖1所示。研究表明:1. 雖然單層結構是有能隙的絕緣體,但是該雙層結構表現為金屬性;2. 這些雙層結構的鐵電相分別為相對位移v=(1/3,2/3)和(2/3,1/3)的結構,鐵電極化在面外方向;3. 該垂直極化的翻轉可以通過層間滑動來實現,能壘非常低;4. 改變載流子濃度可以顯著調節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移是金屬性和垂直極化的起源,這些性質與空間擴展的Te-pz軌道密切相關。此類180度雙層結構廣泛存在于自然界中,如1T’/Td-MoTe?(電荷摻雜誘導超導)、α-Bi?Br?(單層具有拓撲邊緣態)等,使得我們能夠操縱鐵電性與其他性質(如超導和拓撲)之間的相互作用。
【DFT】二維PtTe?系列材料的金屬鐵電性研究進展
圖1、MTe??π bilayer的(a)-(b)結構,(c)-(e)能量與極化面,(d)-(f)鐵電翻轉路徑的能壘與極化, (g) π雙層的示意,(h)極化與摻雜的關系。
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該項研究成果預言了一類金屬鐵電,它們在功能納米器件中有潛在的應用。相關成果以“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PtTe1.75結構示意圖,(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的Z?拓撲數,(d)高效的析氫反應的示意圖。
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此外,研究小組還報道了具有有序Te空位缺陷的 PtTe?材料(PtTe1.75是一種既具有大且可調自旋霍爾電導,又表現出高效析氫活性的非常規二維材料[2],如圖2所示。同時為尋找大自旋霍爾電導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 PtTe1.75 Monolayer”發表在《Research》上 (Research, 2023,6:0042)。

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