【DFT】二维PtTe₂系列材料的金属铁电性研究进展

由于导电电子的屏蔽作用，铁电性和金属性一般不能共存。铁电金属在自然界中非常罕见，但却表现出各种独特的性质，如非常规的超导性、独特的光学响应和磁电效应。过渡金属硫族化合物MTe₂系列材料具有稳定的层状结构1T/1T’相，由于空间反演对称性存在而缺乏自发极化。由于其独特的层间相互作用，范德瓦尔斯（vdW, van der Waals）层状材料滑移铁电机理早在2017年被研究者提出，但一直没有被观测到。最近研究人员在多层WTe₂半金属材料中直接观察到铁电翻转，燃起了人们对层间滑移铁电的希望。MTe₂系列材料的多层结构为研究滑移铁电和金属铁电提供了理想的平台。

最近，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心HM-T03组王志俊研究员指导博士生盛昊昊，构建了具有vdW堆叠的过渡金属硫族化合物 (MTe₂, M = Pt, Pd和Ni)的180度双层结构（π bilayer），其中上下两层通过C_2z旋转联系，并通过第一性原理计算预言了这些180度双层结构具有金属铁电性[1]，如图1所示。研究表明：1. 虽然单层结构是有能隙的绝缘体，但是该双层结构表现为金属性；2. 这些双层结构的铁电相分别为相对位移v=(1/3,2/3)和(2/3,1/3)的结构，铁电极化在面外方向；3. 该垂直极化的翻转可以通过层间滑动来实现，能垒非常低；4. 改变载流子浓度可以显著调节这些铁电金属的垂直极化大小和方向。此外，我们认为层间电荷转移是金属性和垂直极化的起源，这些性质与空间扩展的Te-p_z轨道密切相关。此类180度双层结构广泛存在于自然界中，如1T’/T_d-MoTe₂（电荷掺杂诱导超导）、α-Bi₄Br₄（单层具有拓扑边缘态）等，使得我们能够操纵铁电性与其他性质(如超导和拓扑)之间的相互作用。

图1、MTe₂ π bilayer的(a)-(b)结构，(c)-(e)能量与极化面，(d)-(f)铁电翻转路径的能垒与极化, (g) π双层的示意，(h)极化与掺杂的关系。

该项研究成果预言了一类金属铁电，它们在功能纳米器件中有潜在的应用。相关成果以“Ferroelectric metals in 1T/1T’ -phase transition metal dichalcogenide MTe₂ bilayers (M = Pt, Pd, and Ni)”为标题已在线发表在《Physical Review B》上。该工作得到了国家自然科学基金委和中国科学院等项目的资助。

图2、(a)单层PtTe_1.75结构示意图，(b)不考虑自旋轨道耦合的投影能带，(c)考虑自旋轨道耦合的能带和能隙对应的Z₂拓扑数，(d)高效的析氢反应的示意图。

此外，研究小组还报道了具有有序Te空位缺陷的 PtTe₂材料（PtTe_1.75）是一种既具有大且可调自旋霍尔电导，又表现出高效析氢活性的非常规二维材料[2]，如图2所示。同时为寻找大自旋霍尔电导的体系提供了新思路——在大自旋轨道耦合体系中引入缺陷。文章以题为“Large Spin Hall Conductivity and Excellent Hydrogen Evolution Reaction Activity in Unconventional PtTe_1.75 Monolayer”发表在《Research》上 (Research, 2023,6:0042)。

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【DFT】二维PtTe₂系列材料的金属铁电性研究进展

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