Nature最新報道：兼具金屬導電性和絕緣體極性的“極性金屬”

vesta_lws 7年前 (2016-04-27) 6443瀏覽

【背景簡介】

眾所周知，當許多原子組成固體的時候，每個原子的最外層電子會被其他原子共享。金屬的共享電子在金屬內部可以自由移動，而絕緣體和半導體的共享電子會保持緊束縛狀態，僅被臨近原子共享。高斯定理指出，靜電平衡時，由于有效電荷的屏蔽作用，導體內部的電場強度為零。因此，金屬內部的自由電荷可以消除因非對稱電荷分布產生的偶極子；而絕緣體和半導體不能消除非對稱場的作用，從而發生極化，宏觀表現為極性，例如鐵電材料。常識告訴我們，自然界中不會存在一種具有類鐵電相的金屬材料。

然而，早在50多年前，科學家提出猜測：可能存在具有類鐵電相的金屬材料。之后的報道零星點點，鮮有突出進展。直到2014年，設計極性金屬的理論原則被提出，該原則表明，設計金屬材料的關鍵在于保證電偶極子的形成對金屬自由電子的運動沒有影響。

【文章亮點】

近日，Nature報道：美國威斯康星大學Kim等人結合理論和實驗首次在二維薄膜上，實現了設計極性金屬的理論原則，并基于幾何設計穩定性思想，利用反轉保留位移的原子操控方法，在NdNiO3(一種鈣鈦礦結構晶體)薄膜上，制備出了室溫下可穩定存在的極性金屬。這種幾何設計穩定性的方法為發現多種特性共存的新型多功能材料的研究提供了一條新奇快捷的方法，為下一代同時具有光電磁功能的器件研究鋪就了道路。作者預測，這種非平衡態幾何設計穩定性的方法為在復雜氧化物中尋找新奇鐵相，自旋結構和拓撲相等領域的發展提供了一塊沃土。

Nature同時對該工作進行了專題新聞報道。

【思路起源】

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一般地，簡單的鈣鈦礦結構晶體的化學式為ABO3，A、B為陽離子，O為氧陰離子，A離子占據立方體的八個頂角，B離子位于立方體中心，O離子位于面心，其中O離子形成一個八面體“牢籠”，“囚禁”著B離子（如上圖a所示）。這樣的單元堆積形成塊狀晶體。但是，對于大多數鈣鈦礦晶體，理想的立方結構是不穩定的：因為不同的元素，離子大小不同，因此O離子“牢籠”會發生傾斜和旋轉（如上圖b所示）。這些扭曲會伴隨著離子的反排序位移，如果陽離子向一個方向偏移，O離子向相反方向偏移，這就會產生極化。從而可能產生極性金屬。

【結果與討論】

圖1? 八面體傾斜設計的極性NdNiO3的幾何穩定性。a, a-a-c+傾斜模式下，室溫平衡時金屬性NdNiO3的塊結構；b, 不同a-a-c+傾斜模式下，在LaAlO3(111)襯底上，中心對稱NdNiO3的區域中心聲子模式：圖中頻率代表晶格的動力學不穩定性，隨著傾斜角度Θ向平衡值增加而硬化。插圖描繪了Bu模式下的原子位移方向。頂部嵌板指出理論預測穩定相對應的最小傾斜角(<7.6°)，高于最小值的非極性金屬相是穩定的。C, LaAlO3 (111)襯底上NdNiO3的非平衡幾何穩定極化金屬結構。d-f，不穩定的Au模式和Bu模式下，不同傾斜角度和旋轉角度的能量。