近日,Nature报道:美国威斯康星大学Kim等人结合理论和实验首次在二维薄膜上,实现了设计极性金属的理论原则,并基于几何设计稳定性思想,利用反转保留位移的原子操控方法,在NdNiO3(一种钙钛矿结构晶体)薄膜上,制备出了室温下可稳定存在的极性金属.这种几何设计稳定性的方法为发现多种特性共存的新型多功能材料的研究提供了一条新奇快捷的方法,为下一代同时具有光电磁功能的器件研究铺就了道路.作者预测,这种非平衡态几何设计稳定性的方法为在复杂氧化物中寻找新奇铁相,自旋结构和拓扑相等领域的发展提供了一块沃土.
【思路起源】
众所周知,当许多原子组成固体的时候,每个原子的最外层电子会被其他原子共享.金属的共享电子在金属内部可以自由移动,而绝缘体和半导体的共享电子会保持紧束缚状态,仅被临近原子共享.高斯定理指出,静电平衡时,由于有效电荷的屏蔽作用,导体内部的电场强度为零.因此,金属内部的自由电荷可以消除因非对称电荷分布产生的偶极子;而绝缘体和半导体不能消除非对称场的作用,从而发生极化,宏观表现为极性,例如铁电材料.常识告诉我们,自然界中不会存在一种具有类铁电相的金属材料.
然而,早在50多年前,科学家提出猜测:可能存在具有类铁电相的金属材料.之后的报道零星点点,鲜有突出进展.直到2014年,设计极性金属的理论原则被提出,该原则表明,设计金属材料的关键在于保证电偶极子的形成对金属自由电子的运动没有影响.
一般地,简单的钙钛矿结构晶体的化学式为ABO3,A、B为阳离子,O为氧阴离子,A离子占据立方体的八个顶角,B离子位于立方体中心,O离子位于面心,其中O离子形成一个八面体"牢笼","囚禁"着B离子(如上图a所示).这样的单元堆积形成块状晶体.但是,对于大多数钙钛矿晶体,理想的立方结构是不稳定的:因为不同的元素,离子大小不同,因此O离子"牢笼"会发生倾斜和旋转(如上图b所示).这些扭曲会伴随着离子的反排序位移,如果阳离子向一个方向偏移,O离子向相反方向偏移,这就会产生极化.从而可能产生极性金属.
【结果与讨论】
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图1 八面体倾斜设计的极性NdNiO3的几何稳定性.a, a-a-c+倾斜模式下,室温平衡时金属性NdNiO3的块结构;b, 不同a-a-c+倾斜模式下,在LaAlO3(111)衬底上,中心对称NdNiO3的区域中心声子模式:图中频率代表晶格的动力学不稳定性,随着倾斜角度Θ向平衡值增加而硬化.插图描绘了Bu模式下的原子位移方向.顶部嵌板指出理论预测稳定相对应的最小倾斜角(<7.6°),高于最小值的非极性金属相是稳定的.C, LaAlO3 (111)衬底上NdNiO3的非平衡几何稳定极化金属结构.d-f,不稳定的Au模式和Bu模式下,不同倾斜角度和旋转角度的能量.
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图2 在LaAlO3 (111)衬底上的非中心对称的NdNiO3薄膜:a, 原子尺度薄膜异质结的示意图;b和c, 二维电子密度图;d和e, 电子密度图的局部放大图及对应的ABF图像
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图3 NdNiO3 (111)薄膜的SHG 偏振测定实验示意图
【备注】
该研究成果近期发表在Nature (IF:42.315) 上,文献链接: Polar metals by geometric design;Nature新闻报道链接: Clockwork at the atomic scale