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研究背景

通過使用外部刺激來調節材料的特性對于開發多功能智能材料至關重要，單相材料中階躍參數之間的強耦合構成了實現精確性能控制的基礎。近日，北京科技大學和建剛、楊亞利等人利用第一性原理計算證明了MoBr₂O₂中極性畸變與光學性質的超強耦合。

計算方法

本文中的DFT計算是使用維也納從頭算模擬包（VASP）進行的，并使用投影增強波（PAW）贗勢、平面波基組和SCAN+rvv10交換關聯泛函，以及使用Γ為中心的k點網格進行了布里淵區采樣。在結構優化過程中，所有結構保持馳豫，直到每個原子上的力小于0.01eV/?。二階力常數是通過使用有限位移法計算的，并使用ISOTROPY和Bilbao進行對稱性分析。

結果與討論

圖1 模型結構和聲子色散譜

如圖1a所示，MoBr₂O₂在極性空間群（Cc，No.9）中結晶，并且晶體結構由沿b和c方向排列的角共享MoBr₂O₄八面體組成，而范德華間隙沿a方向分隔MoBr₂O₄八面體。如圖1b所示，Cc和Fmm2的最高對稱結構為I4/mmm，其中MX₂O₄八面體中的四個赤道M–O鍵相等。如圖1d所示，Cc相是沿P5（1,0,0,0）方向組合N₂⁺和沿P1（1,0）方向組合Γ₅^–而形成的，而Fmm2僅由Γ₅^–沿P3（1,1）方向生成。如圖1f所示，I4/mmm-MoBr₂O₂的聲子色散譜中存在的不穩定聲子模式是N₂⁺和Γ₅^–。此外，P2₁am結構可以通過沿P1（0，-1）方向組合Γ₅^–和沿P3（1，-1）方向組合X₃^–而形成，具體如圖1e所示。如圖1g所示，C2/c在Γ點具有不穩定的聲子模式，即Γ₂^–模式。

圖2 能帶結構和DTM²

如圖2所示，Cc和C2/c相的價帶最大值（VBM）和導帶最小值（CBM）都位于第一布里淵區的Γ點，但在導帶的底部有明顯的區別。在C2/c相中，沿Y₂–Γ–M₂方向存在平坦導帶，主要來源于Mo 4d_yz和Br 4p軌道，其能量低于導帶，后者主要來源于d_xz軌道。相反，在Cc相中，這兩個帶具有相反的能級。

圖3 光學性質

如圖3所示，C2/c和Cc的光學吸收系數由于其低晶體對稱性而具有各向異性。在Cc相中，最強的吸收峰出現在xx方向上的380 nm處，其次是在超過320 nm的zz和yy方向上的峰。相反，在C2/c相中，在430nm處的zz方向上具有最強吸收峰，隨后是在590和300nm處xx和yy方向上的峰。對于xx和zz方向，Cc和C2/c之間的吸收峰偏移顯著（～200 nm）。然而，沿著yy方向的吸收峰不受影響，這表明各向異性發生了顯著變化。如圖2c，d所示，這兩個相的DTM²值明顯不同。在Cc相中，Γ點具有最大的DTM²值。然而在C2/c相中，Γ點處的DTM²比在其他點處的小，而最大DTM²值出現在Γ和Y₂之間。此外，MoBr₂O₂的雙折射與其極性畸變密切相關，導致C2/c和Cc相之間的顯著差異。在紅外區域，C2/c相具有明顯高于Cc相的雙折射，具體如圖3b所示。

圖4 帶隙、極性畸變和晶格常數作為光生載流子濃度函數的相對變化

如圖4a所示，隨著光生載流子數量的積累，Cc-MoBr₂O₂的帶隙呈現線性減小。MoBr₂O₂中的帶隙減小可歸因于帶隙與極性畸變之間的強耦合，具體如圖4b所示。如圖4c所示，MoBr₂O₂的d_ij可以在光照下放大，并且與沒有光照的情況（d_ij⁰）相比，當n_ph接近0.1e/f.u.時，d₃₃可以增強超過10倍。如圖4d所示，MoBr₂O₂的晶格常數a和b呈現單調增加，而c的長度隨著n_ph的增加而顯著減小，這是因為極性畸變主要發生在c方向，而在光照下體積的減少通過a和b的膨脹而減輕。

結論與展望

通過施加外部電場并加熱以及強光照明，作者實現了可調諧自旋分裂、電致變色、熱致變色、光致變色和非線性光學。此外，作者還發現了強光致伸縮效應。該工作不僅研究了在單一材料內實現多階參數耦合的可行性，還為基于性能控制的綜合應用鋪平了道路，如能量采集、信息處理和超快控制。

文獻信息

Zhaojun Li et.al Ultrastrong Coupling between Polar Distortion and Optical Properties in Ferroelectric MoBr₂O₂，JACS，2024

https://doi.org/10.1021/jacs.4c03296

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