Phy. Rev. Lett.: 鈣鈦礦及相關材料八面體旋轉和鐵電性的協同耦合

【引言】

鈣鈦礦鐵電體不僅具有重要的應用價值，還是理解鐵電性起源的理想模型，因此成為目前研究最廣泛和深入的鐵電體。通常，陽離子的低能空態和氧離子的2p態之間的混合（二階Jahn-Teller效應）是ABO3型鈣鈦礦氧化物具有鐵電性的關鍵因素。除了鐵電（FE）模式，ABO3型鈣鈦礦的結構還有一類重要的不穩定模式，亦即氧八面體旋轉（AFD）模式。通常認為AFD和FE模式之間傾向于互相競爭和抑制。

【成果簡介】

近日，復旦大學的向紅軍教授和美國阿肯色大學的L. Bellaiche教授等人，在Physical Review Letters上發表最新研究成果“Cooperative Couplings between Octahedral Rotations and Ferroelectricity in Perovskites and Related Materials”。該報道中，作者使用第一性原理方法，顯示FE-AFD耦合的二重本質，隨AFD模增強，兩者耦合關系由競爭變為協同，這一現象在大量鈣鈦礦氧化物（特別是小半徑A離子的ABO3體系）中都會發生。作者通過引入新型高階耦合項，提供了描述雙重相互作用的統一模型，提出了普遍的空間位阻機制來解釋導致這種新鐵電性的微觀起源。此外，該篇文章還預測了這種新型鐵電性導致非常規鐵電行為，比如加壓下的鐵電性增強現象。基于這種新型鐵電性，可以用于設計無毒的鐵電/壓電材料或高性能多鐵性材料，比如向紅軍教授等人預言了具有室溫強磁性、強鐵電性、強磁電耦合的多鐵材料Zn2FeOsO6 [見P.?S. Wang, W. Ren, L. Bellaiche, and H.?J. Xiang*, Phys. Rev. Lett. 114, 147204 (2015)].

【圖文導讀】

圖1：ABO3的R3 ?c相中，旋轉模和FE模的示意圖。

(a)FE模和(b)旋轉模的示意圖；

(c)在ABO3的R3 ?c相中，（非穩定的）FE模頻率與旋轉模的依賴關系。

圖2：ZnSnO3的R3c相的旋轉模和FE模之間的耦合關系。

(a)FE幅度和總能量與旋轉模幅度之比；

(b)旋轉模固定，總能量隨FE幅度的函數變化情況。

圖3：ZnSnO3的R3c相電極化壓力行為。

(a)極化和旋轉的幅度隨壓力變化的函數關系；

(b)和二階u2項相關的系數隨立方晶格常數變化的函數關系；

(c)壓力對FE極化的四種不同作用機制的示意圖。

【小結】

總的來說，該工作揭示了廣泛存在于ABO3型鈣鈦礦材料的FE-AFD耦合的雙重本質，表達了與“在任一具有實際重要性的體系中，FE-AFD耦合總為競爭關系”這一普遍觀點的不同見解，對理解具有大AFD和FE的類LiNbO3化合物的鐵電性有著至關重要的作用。

文獻鏈接：Cooperative Couplings between Octahedral Rotations and Ferroelectricity in Perovskites and Related Materials（Phy. Rev. Lett.，2018，DOI：10.1103/PhysRevLett.120.197602）

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