过渡金属磷化物中金属性拓扑铁电体的发现学术资讯

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铁电材料在信息存储、传感器、电容器、超声换能器以及医学成像等方面有着广泛的应用。在传统铁电材料中，离子间的静电库仑力被认为是发生空间反演对称破缺的主要驱动力。然而，由于自由电子对静电库仑力的屏蔽作用，铁电金属体中铁电性与金属性的共存，严重挑战着人们对铁电性起源的传统认知。自上世纪60年代Anderson和Blount提出铁电金属体的概念起，近几年已有如LiOsO3（Nat. Mater., 2013, 12, 1023）和WTe2（Nature, 2018, 560, 336）等体系相继被证实。尽管如此，具有拓扑极性特征的铁电金属材料尚不曾被发现和报道。

德国于利希研究中心Ernst Ruska-Centre的魏现奎博士与研究团队在具有高效析氢和CO2还原催化活性的Ni2P体系中，首次发现了拓扑铁电性与金属性的共存。六方结构的Ni2P金属具有非中心对称空间群，受限于旋转反伸对称操作，三次对称的四面体和五面体沿z轴方向交替旋转堆垛。通过构建配位多面体的极性对称方程，研究发现多面体极性的大小与元素的价态存在线性关联。电子能量损失谱对价态的定量测量证实了两者之间借助镍原子位置表现出的关联性。

图1. Ni2P的多面体配位特征及元素价态测定。图片来源: Adv. Mater.

第一性原理计算的结果显示，伴随可调双线性双势井的出现，面内压应力的施加导致多面体的拓扑极性由同心收缩转变为同心发散构型，两者卷绕数均为一。镍阳离子的双重作用，即多面体内的极性位移和Ni-Ni金属键的三维键合，是拓扑铁电性与金属性共存的根本原因。与此同时，可翻转的多面体极性与自旋轨道耦合诱导的动量依赖的自旋劈裂同样存在耦合关联。

图2. Ni2P中可翻转拓扑极化、双势井及费米面处的自旋劈裂。图片来源: Adv. Mater.

拓扑铁电金属体的发现定义了一个全新的材料体系，与此相类似的元素价态-极化-自旋之间的密切关联有望在具有非极性（-4, -42m, -6, -62m, -43m）、手性和手性极性（1, 2, 3, 4, 6, 222, 422, 622, 32, 23, 432）点群的二元及多元磷族化物、硫族化物及氧化物中大量存在。在物理及材料学方面，该发现将有助于进一步探索拓扑铁电性与铁磁性的耦合效应以及极性超导体中的超导电性起源。在电化学能源转化方面，自旋-轨道耦合诱导的自旋极化为解析催化反应中的能量转移及转化路径提供了重要线索。

这一成果近期发表在Advanced Materials 上，文章的第一作者及唯一通讯作者是德国于利希研究中心的研究员魏现奎博士。

原文：

Discovery of Real‐Space Topological Ferroelectricity in Metallic Transition Metal Phosphides

Xian-Kui Wei, Gustav Bihlmayer, Xiaodong Zhou, Wanxiang Feng, Yury V. Kolen’ko, Dehua Xiong, Lifeng Liu, Stefan Blügel, Rafal E. Dunin-Borkowski

Adv. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adma.202003479

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