北理工團(tuán)隊(duì)在二維鐵電金屬研究領(lǐng)域取得重要進(jìn)展
發(fā)布日期：2024-11-01 供稿：物理學(xué)院 攝影：物理學(xué)院
編輯：王莉蓉 審核：陳珂 閱讀次數(shù)：
近期，北京理工大學(xué)物理學(xué)院姚裕貴教授團(tuán)隊(duì)與華中科技大學(xué)吳夢昊教授團(tuán)隊(duì)合作，在理論上預(yù)言了一種具有空前巨大體光伏效應(yīng)的本征二維拓?fù)滂F電金屬。相關(guān)研究成果以題為 “Two-dimensional Topological Ferroelectric Metal with Giant Shift Current” 的論文發(fā)表在國際頂級物理學(xué)期刊《Physical Review Letters》上，并被該期刊選為 “Editors’ Suggestion”。
鐵電金屬的概念最早由 P. W. Anderson 和 E. I. Blount 于1965年在《Physical Review Letters》上發(fā)表的一篇論文中提出。此后，相關(guān)的實(shí)驗(yàn)和理論研究不斷涌現(xiàn)，逐漸成為大家關(guān)注的熱點(diǎn)。由于二維材料具有原子級厚度，參與輸運(yùn)的載流子被限制在材料的平面內(nèi)，而其面外極化則可以通過垂直方向的電場進(jìn)行調(diào)控，從而使得看似不兼容的金屬性和鐵電性得以在其中完美共存。然而，迄今為止，實(shí)驗(yàn)上仍未能證實(shí)本征單層鐵電金屬的存在。
圖：(左) 鐵電金屬 PtBi2 單層與光致位移電流(shift current)示意圖。(右) 單層 PtBi2 的位移電流電導(dǎo)率與其它二維/三維鐵電材料的比較
團(tuán)隊(duì)從理論上預(yù)言單層 PtBi2 是本征二維拓?fù)滂F電金屬的理想候選者。單層 PtBi2 對應(yīng)的范德華層狀體材料為 t- PtBi2，已有實(shí)驗(yàn)表明 t- PtBi2 的塊材、表面及薄層在低溫下均表現(xiàn)出超導(dǎo)性。他們的計(jì)算結(jié)果顯示，單層 PtBi2 擁有顯著的自發(fā)極化、適中的翻轉(zhuǎn)勢壘和剝離能，這些特性為其在實(shí)驗(yàn)上的制備及鐵電性的驗(yàn)證提供了有力支持。
在電子結(jié)構(gòu)方面，該研究還指出，單層 PtBi2 擁有 Z2 拓?fù)鋽?shù)等于 1 的非平庸電子能帶結(jié)構(gòu)。這一特性賦予其前所未有的巨大鐵電體光伏效應(yīng)(ferroelectric bulk photovoltaic effect)。此外，鐵電性、金屬性和拓?fù)淠軒У南嗷ソ豢?，也使得二維拓?fù)滂F電金屬有可能展現(xiàn)更多新奇的物性，這為今后的研究提供了廣闊的空間。
該工作得到國家自然科學(xué)基金委、中國博士后科學(xué)基金會的支持。華中科技大學(xué)的楊柳博士(2024屆博士畢業(yè)生，現(xiàn)供職于三峽大學(xué))、北京理工大學(xué)的博士后黎磊為該論文的共同第一作者。黎磊博士、吳夢昊教授、姚裕貴教授為該論文的共同通訊作者。另外，北京理工大學(xué)的余智明教授也對此工作做出了貢獻(xiàn)。相關(guān)結(jié)果發(fā)表于國際頂級期刊Physical Review Letters： Phys. Rev. Lett. 133, 186801 (2024)
文章鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.186801
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