近日，我校物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院王磊研究員和李鋒鈺教授指導(dǎo)研究生在電荷密度波和滑移鐵電領(lǐng)域取得新進(jìn)展，相關(guān)成果以“Ferroelectricity in charge-density-wave 1T-TiX2 (X = S, Se, and Te) bilayers”為題發(fā)表在物理學(xué)知名期刊Physical Review B（《物理學(xué)評(píng)論B》）。（論文鏈接：https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.111.024101）
圖1 論文首頁(yè)
多相共存的探索一直是凝聚態(tài)物理的重要課題，它可以產(chǎn)生豐富的物理現(xiàn)象，滿(mǎn)足現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的需要。傳統(tǒng)上，鐵電性被認(rèn)為只存在于電介質(zhì)材料中，而鐵電性和金屬性被認(rèn)為是互斥的，因?yàn)榻饘僦械膶?dǎo)電電子可以有效地屏蔽電場(chǎng)和偶極子。近年來(lái)，大量的理論和實(shí)驗(yàn)工作發(fā)現(xiàn)了層狀材料可作為鐵電金屬。電荷密度波 (Charge Density Wave, CDW) 材料在溫度影響下會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)相變，往往伴隨著金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變。在這樣的體系中，通過(guò)層間滑移的方式引入鐵電性，從而實(shí)現(xiàn)高溫normal相和低溫CDW相與極化共存，進(jìn)一步發(fā)掘其相互作用產(chǎn)生的物理現(xiàn)象成為進(jìn)一步研究的有趣課題。
圖2 1T-TiX2 (X = S、Se、和Te) 雙層normal相中的鐵電性。
(a) 兩個(gè)能量簡(jiǎn)并鐵電 (FE1和FE2) 相和一個(gè)順電 (PE) 相的側(cè)視圖和 (b) 俯視圖。藍(lán)色 (黃色) 和紫色 (橙色) 球分別代表頂層和底層的Ti (X) 原子，箭頭表示極化方向。(c) 1T-TiS2雙層的勢(shì)能面。鐵電切換路徑用橙色虛線(xiàn)標(biāo)記。以底層1T-TiS2單層為參考，x和y表示頂部1T-TiS2單層在實(shí)空間中的相對(duì)位移。(d) 1T-TiS2雙層極化翻轉(zhuǎn)路徑上的能壘 (橙線(xiàn)) 和極化（藍(lán)線(xiàn)）。
在這項(xiàng)工作中，我們通過(guò)第一性原理計(jì)算，成功地預(yù)測(cè)了CDW材料1T -TiX2 (X = S、Se、和Te) 中雙層堆垛而產(chǎn)生的鐵電性。由于在低溫下發(fā)生的CDW轉(zhuǎn)變伴隨著金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變，鐵電極化也會(huì)發(fā)生變化。以1T-TiSe2為例，由于極化電子和導(dǎo)電電子的空間解耦分布，其雙層在高溫相時(shí)表現(xiàn)為鐵電金屬，鐵電性和金屬性可以共存，極化值高達(dá)0.38 pC/m。在CDW相變之后，由于周期性晶格畸變，這些雙層表現(xiàn)出半導(dǎo)體性。同時(shí)，電子的屏蔽效應(yīng)被消除，極化大約增加了兩倍。有趣的是，我們?cè)贑DW相中發(fā)現(xiàn)了四種極化態(tài)，并證實(shí)可以通過(guò)低能耗的層間滑動(dòng)實(shí)現(xiàn)多態(tài)調(diào)控。我們的發(fā)現(xiàn)將CDW相變與鐵電性聯(lián)系起來(lái)，這在多功能納米器件中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值，并為開(kāi)發(fā)下一代存儲(chǔ)器件提供了一條設(shè)計(jì)極化多態(tài)的新途徑。
2022級(jí)博士研究生劉宇為論文的第一作者，王磊研究員和李鋒鈺教授為該論文的通訊作者。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金地區(qū)基金項(xiàng)目、內(nèi)蒙古自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目、內(nèi)蒙古自治區(qū)草原英才項(xiàng)目、內(nèi)蒙古大學(xué)駿馬計(jì)劃、內(nèi)蒙古大學(xué)青年科技人才培育項(xiàng)目等項(xiàng)目資助。
主要作者簡(jiǎn)介：
王磊，研究員，博士生導(dǎo)師。獲國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金、內(nèi)蒙古自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目、內(nèi)蒙古草原英才，內(nèi)蒙古自治區(qū)本級(jí)引進(jìn)高層次人才科研支持。至今，在Science、Nature Communications、National Science Review、Nano Letters、ACS Nano、Physical Review B、Physical Review Materials等國(guó)際期刊上發(fā)表論文25篇，被引用1400余次，其中2篇論文入選ESI高被引論文。目前主要研究方向?yàn)殡姾擅芏炔ú牧虾统瑢?dǎo)材料的第一性原理設(shè)計(jì)，磁性拓?fù)潆娮硬牧嫌?jì)算與設(shè)計(jì)和鐵電金屬材料計(jì)算設(shè)計(jì)。擔(dān)任APS期刊審稿人。
李鋒鈺，教授，博士生導(dǎo)師。研究領(lǐng)域?yàn)榈途S納米材料的模擬與設(shè)計(jì)。已在JACS、ACIE、ACS Catal、Phys Rev B等國(guó)際期刊發(fā)表論文80余篇，總引用近4300次，H-index為31。多個(gè)工作被選為封面論文和被知名科研媒介推送。擔(dān)任Adv Powder Mater特聘編委和J Mater Inf青年編委，擔(dān)任JMI、Nanomaterials和Catalysts特刊客座編輯，擔(dān)任Nat Commun、Adv Sci、Small、J Mater Chem A等國(guó)際期刊獨(dú)立審稿人。先后入選JMCA優(yōu)秀審稿人、內(nèi)蒙古自治區(qū)草原英才、JMI青編貢獻(xiàn)獎(jiǎng)和優(yōu)秀論文獎(jiǎng)等。
劉宇，2022級(jí)博士研究生，主要從事二維材料物理化學(xué)性質(zhì)的理論研究。以第一或共同第一作者在國(guó)際著名期刊Physical Review B、Science China Materials、Journal of Materials Chemistry A、ACS Applied Materials & Interfaces和Nanoscale發(fā)表學(xué)術(shù)論文6篇。
（供稿：科學(xué)技術(shù)處 編輯：武濤 審核：劉雪峰 終審：阿茹娜）
