【材料】電極化材料:從共線鐵電到非共線亞鐵電

2021-01-17 X-MOL資訊

磁和電是相伴而生的一對物理性質。十九世紀物理學家麥克斯韋在前人基礎上，建立了統一的空間中的電磁理論。到了二十世紀，人們開始研究固體中的磁和電，誕生了鐵磁學、鐵電學等學科。並且這些磁、電功能材料在資訊時代作為信息存儲介質和信號傳感器得到了非常廣泛的應用。正如麥克斯韋電磁理論指出的，磁與電就像一枚硬幣的兩面，始終相伴而生，在物理性質方面展示著一一對應的關係。這在固體中也不例外，有鐵磁體就有鐵電體、有反鐵磁體就有反鐵電體、有磁滯回線就有電滯回線，有鐵磁疇就有鐵電疇等等，連它們的朗道理論公式都如出一轍。


具有非共線磁結構的體系非常常見，已經成為當今磁性物理與材料研究的前沿熱點，演生出豐富的物理，例如反常霍爾效應、磁致鐵電、斯格明子、自旋冰等等。但十分反常而有趣的是，其對應的具有非共線電極性結構的體系，卻很罕見 (至少在無機材料體系中)。難道一直很完美的磁與電對應性在這個點上有所破缺？近年來有研究者在Nature 發文報導了在PbTiO3/SrTiO3超晶格中實現了電極化渦旋乃至電極化斯格明子，這說明非共線的電極化構型是可以實現的，並且具有很高的科學價值和應用前景。但上述非共線結構是來源於體系的特殊人工結構和靜電邊界條件，而不是單相材料的本徵物理性質。那到底電極性體系中是否存在本徵的非共線極性結構呢？


東南大學物理學院董帥課題組長期從事磁性與電極化物理和材料的研究，積累了大量的經驗。通過仔細分析磁性體系出現非共線磁結構的起因，他們借鑑了磁性體系的「失措」概念，預測鐵電聲子模式與反鐵電聲子模式的競爭有可能導致本徵的非共線電極化結構。根據這一理論，找出一類二維材料體系WO2Cl2和MoO2Br2，並通過計算預測了其非共線亞鐵電性。其非共線亞鐵電性正是起源於鐵電模式和反鐵電模式的競爭與耦合，並且衍生了一系列有趣的物理現象，比如負壓電效應、拓撲疇結構以及原子尺度的極性渦旋等。該工作將激發更多關於非共線電極性物理與材料的研究，為後續的實驗工作及器件設計提供了理論指導。


相關研究成果發表在物理學領域知名刊物Physical Review Letters 上。


Frustrated Dipole Order Induces Noncollinear Proper Ferrielectricity in Two DimensionsLing-Fang Lin, Yang Zhang, Adriana Moreo, Elbio Dagotto, Shuai DongPhys. Rev. Lett., 2019, 123, 067601, DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.067601


https://www.x-mol.com/university/faculty/49679



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