【质料】过渡金属磷化物中金属性拓扑铁电体的发明

 新闻资讯     |      2021-11-21 01:00
本文摘要:【质料】过渡金属磷化物中金属性拓扑铁电体的发明 注:文末有 研究团队简介 及本文 科研思路阐发 铁电质料在信息存储、传感器、电容器、超声换能器以及医学成像等方面有着遍及的应用。在传统铁电质料中,离子间的静电库仑力被认为是产生空间反演对称破缺的主要驱动力。 然而,由于自由电子对静电库仑力的屏蔽感化,铁电金属体中铁电性与金属性的共存,严重挑战着人们对铁电性发源的传统认知。

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【质料】过渡金属磷化物中金属性拓扑铁电体的发明 注:文末有 研究团队简介 及本文 科研思路阐发 铁电质料在信息存储、传感器、电容器、超声换能器以及医学成像等方面有着遍及的应用。在传统铁电质料中,离子间的静电库仑力被认为是产生空间反演对称破缺的主要驱动力。

然而,由于自由电子对静电库仑力的屏蔽感化,铁电金属体中铁电性与金属性的共存,严重挑战着人们对铁电性发源的传统认知。自上世纪60年月Anderson和Blount提出铁电金属体的观点起,近几年已有如LiOsO 3 ( Nat. Mater. , 2013, 12 , 1023)和WTe 2 ( Nature , 2018, 560 , 336)等体系相继被证实。

只管如此,具有拓扑极性特征的铁电金属质料尚未曾被发明和报道。德国 于利希研究中心Ernst Ruska-Centre的 魏现奎博士与研究团队 在具有高效析氢和C O2还原催化活性的Ni 2 P体系中,首次发明了拓扑铁电性与金属性的共存。六方布局的Ni 2 P金属具有非中心对称空间群 ,受限于旋转反伸对称操作,三次对称的四面体和五面体沿z轴偏向瓜代旋转堆垛。

通过构建配位多面体的极性对称方程,研究发明多面体极性的巨细与元素的价态存在线性关联。电子能量损失谱对价态的定量丈量证实了两者之间借助镍原子位置体现出的关联性。图1. Ni2 P的多面体配位特征及元素价态测定。

图片来历: Adv. Mater. 第一性道理计较的成果显示,陪同可调双线性双势井的呈现,面内压应力的施加导致多面体的拓扑极性由同心收缩转变为同心发散构型,两者卷绕数均为一。镍阳离子的双重感化,即多面体内的极性位移和Ni-Ni金属键的三维键合,是拓扑铁电性与金属性共存的底子原因。

与此同时,可翻转的多面体极性与自旋轨道耦合诱导的动量依赖的自旋劈裂同样存在耦合关联。展开全文 图2. Ni2 P中可翻转拓扑极化、双势井及费米面处的自旋劈裂。图片来历: Adv. Mater. 拓扑铁电金属体的发明界说了一个全新的质料体系,与此相雷同的 元素价态-极化-自旋之间的密切关联有望在具有非极性(-4, -42m, -6, -62m, -43m)、手性和手性极性(1, 2, 3, 4, 6, 222, 422, 622, 32, 23, 432)点群的二元及多元磷族化物、硫族化物及氧化物中大量存在。

在物理及质料学方面,该发明将有助于进一步摸索拓扑铁电性与铁磁性的耦合效应以及极性超导体中的超导电性发源。在电化学能源转化方面,自旋-轨道耦合诱导的自旋极化为解析催化反映中的能量转移及转化路径提供了重要线索。这一结果近期颁发在 Advanced Materials 上,文章的第一作者及独一通讯作者是德国于利希研究中心的研究员 魏现奎博士。

Discovery of Real‐Space Topological Ferroelectricity in Metallic Transition Metal Phosphides Xian-Kui Wei, Gustav Bihlmayer, Xiaodong Zhou, Wanxiang Feng, Yury V. Kolen’ko, Dehua Xiong, Lifeng Liu, Stefan Blügel, Rafal E. Dunin-Borkowski Adv. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adma.202003479 魏现奎博士简介 魏现奎,今朝为德国于利希研究中心研究员。2011年于中科院物理所得到理学博士学位,结业后别离在瑞士洛桑联邦理工学院及德国于利希研究中心开展球差矫正透射电子显微学的相关研究事情。截至今朝,在以“极性超显微”为乐趣焦点的铁电压电、静电储能反铁电、多铁性以及能源催化质料等相关研究偏向颁发SCI论文30余篇,个中以第一及通讯作者颁发论文16篇,包括 Nat. Commun. (2篇), Adv. Mater. (2篇), Nano Energy (1篇), ACS Appl. Mater. Interfaces (2篇)等。研究结果曾被 Nature Review Materials、Nature materials、Phys.org、Techonology.org、Innovations Reports、R&D 等多家媒体遍及报道。

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科研思路阐发 Q:这项研究的最初念头是什么?或者说想法是怎么发生的? A:作为一个有物理学配景的研究者,如何开展电催化能源质料的交织学科研究,是摆在我眼前的第一个问题。通过大量文献调研,我有两个发明:(1)开展能源质料的电子显微研究是将来摸索的重要前沿偏向之一;(2)电催化范畴的很多电镜表征过于菲薄,从底子上讲,并没有从更深条理解析质料的微观布局,进而对质料的相关电化学行为或机能举行深度解析。个中一个最具代表性的问题就是:在一个化合物中元素的价态别离是几多?Ni 2 P就是这样一个别系,当问到本身这个问题的时候,我发明问题的谜底是不独一的。

这个过于平庸却又似是而非的好奇,本能地成为了我研究开始的原动力。Q:研究历程中碰到哪些挑战? A:说到挑战,个中之一还是跟元素价态有关,那就是极性对称方程的成立。

我们可以很轻松的给出一组满意电中性纪律的价态组合,可是当指认到特定布局中的原子时,我发明原子的配位关系是一个无法超越的障碍,出格是对这种有庞大配位的环境。所以,极性对称方程的成立是漫长的。

个中之二是磷元素的价态测定。借助EELS及对XPS大量数据的阐发,最终发明尝试上测得的元素价态规模与极性对称方程的物理解具有完美的一致性。本来简朴的方程,也可以有如此的美。Q:该研究结果有哪些潜在的科学价值和重要意义? A:首先,这是对金属性拓扑铁电体这一新颖物态的首次界定,需要后续的研究继续开拓对这个范畴的认识和相识。

第二,在将金属性铁电体纳入拓扑家族的同时,这个发明也为摸索新型磁电耦合效应以及非对称超导体中超导电性的发源提供了全新的契机。第三,电催化反映中的能量转移和反映路径应该不会只跟原子的外貌布局有关,质料内部的电子及自旋布局同样应该受到重视。本文版权属于 X-MOL(x-mol.com),未经许可回绝转载!接待读者伴侣们分享到伴侣圈or微博! 返回,检察更多。


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