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【高通量+DFT】J. Phys. Chem. Lett.?| 離子導(dǎo)體中的量子極化鐵電

【高通量+DFT】J. Phys. Chem. Lett.?| 離子導(dǎo)體中的量子極化鐵電

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英文原題:Unconventional Ferroelectricity with Quantized Polarizations in Ionic Conductors: High-Throughput Screening

【高通量+DFT】J. Phys. Chem. Lett.?| 離子導(dǎo)體中的量子極化鐵電

通訊作者:吳夢昊,華中科技大學(xué)

作者:王雪辰,任洋洋,吳夢昊

鐵電性通常是指原胞內(nèi)離子偏移導(dǎo)致的自發(fā)極化現(xiàn)象。在離子導(dǎo)體中,離子在外場的作用下也能產(chǎn)生長程位移,但由于離子鍵無方向性的特性,離子導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)大多對稱不具有自發(fā)極化。我們提出一種離子空位傾向于聚集的非常規(guī)鐵電,將第一性原理計算與高通量篩選相結(jié)合尋找相關(guān)體系,并以KSnS4和Na4SnS4兩種材料為例展示其有空位的情況下,離子的遷移可能產(chǎn)生具有量子化的極化值,即使一個局部空位也可能在離子導(dǎo)體中產(chǎn)生相當(dāng)大的極化。

研究背景

鐵電性已廣泛應(yīng)用于傳感器、存儲器等電子器件中。具有鐵電性的材料通常含有非中心對稱晶格和離子位移,例如,BaTiO3中Ti離子的偏離,產(chǎn)生的極化大致與離子的位移成正比,并可在電場作用下切換方向。在離子導(dǎo)體中,離子在外場的作用下也能產(chǎn)生長程位移,但由于離子鍵無方向性的特性,離子導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)大多高度對稱,不具有自發(fā)極化。

文章亮點

我們提出一種可能存在于離子導(dǎo)體中的非常規(guī)鐵電,即使該離子導(dǎo)體原本是中心對稱的晶格結(jié)構(gòu),也可能在具有空位的情況下導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不對稱,從而產(chǎn)生巨大的量子化極化。

內(nèi)容介紹

本項工作通過高通量篩選與DFT計算相結(jié)合,從13萬種無機材料中得出35種可能產(chǎn)生量子極化的離子導(dǎo)體鐵電材料。

【高通量+DFT】J. Phys. Chem. Lett.?| 離子導(dǎo)體中的量子極化鐵電

圖1. (a) 高通量篩選的流程圖;(b)最終的 383種離子導(dǎo)體的 DFT計算結(jié)果

【高通量+DFT】J. Phys. Chem. Lett.?| 離子導(dǎo)體中的量子極化鐵電

圖2.?(a) KSnS4的結(jié)構(gòu)示意圖與遷移路徑圖;(b)Na4SnS4的結(jié)構(gòu)示意圖與遷移路徑圖;(c)兩種材料的遷移勢壘;(d)KSnS4的極化改變;(e)Na4SnS4的極化改變

以Na4SnS4和KSnS4為例,計算結(jié)果表明,這兩種材料離子空位都可以通過離子通道進行遷移(圖2a-b),而在遷移過程中能夠翻轉(zhuǎn)晶格常數(shù)整數(shù)倍的極化,即量子化極化(圖2d-e),極化值可遠(yuǎn)超傳統(tǒng)鐵電材料。即使在晶格結(jié)構(gòu)對稱的材料中,也可產(chǎn)生這種非傳統(tǒng)鐵電極化。

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