Phy. Rev. Lett.: 钙钛矿及相关材料八面体旋转和铁电性的协同耦合

【引言】

钙钛矿铁电体不仅具有重要的应用价值，还是理解铁电性起源的理想模型，因此成为目前研究最广泛和深入的铁电体。通常，阳离子的低能空态和氧离子的2p态之间的混合（二阶Jahn-Teller效应）是ABO3型钙钛矿氧化物具有铁电性的关键因素。除了铁电（FE）模式，ABO3型钙钛矿的结构还有一类重要的不稳定模式，亦即氧八面体旋转（AFD）模式。通常认为AFD和FE模式之间倾向于互相竞争和抑制。

【成果简介】

近日，复旦大学的向红军教授和美国阿肯色大学的L. Bellaiche教授等人，在Physical Review Letters上发表最新研究成果“Cooperative Couplings between Octahedral Rotations and Ferroelectricity in Perovskites and Related Materials”。该报道中，作者使用第一性原理方法，显示FE-AFD耦合的二重本质，随AFD模增强，两者耦合关系由竞争变为协同，这一现象在大量钙钛矿氧化物（特别是小半径A离子的ABO3体系）中都会发生。作者通过引入新型高阶耦合项，提供了描述双重相互作用的统一模型，提出了普遍的空间位阻机制来解释导致这种新铁电性的微观起源。此外，该篇文章还预测了这种新型铁电性导致非常规铁电行为，比如加压下的铁电性增强现象。基于这种新型铁电性，可以用于设计无毒的铁电/压电材料或高性能多铁性材料，比如向红军教授等人预言了具有室温强磁性、强铁电性、强磁电耦合的多铁材料Zn2FeOsO6 [见P. S. Wang, W. Ren, L. Bellaiche, and H. J. Xiang*, Phys. Rev. Lett. 114, 147204 (2015)].

【图文导读】

图1：ABO3的R3 ̅c相中，旋转模和FE模的示意图。

(a)FE模和(b)旋转模的示意图；

(c)在ABO3的R3 ̅c相中，（非稳定的）FE模频率与旋转模的依赖关系。

图2：ZnSnO3的R3c相的旋转模和FE模之间的耦合关系。

(a)FE幅度和总能量与旋转模幅度之比；

(b)旋转模固定，总能量随FE幅度的函数变化情况。

图3：ZnSnO3的R3c相电极化压力行为。

(a)极化和旋转的幅度随压力变化的函数关系；

(b)和二阶u2项相关的系数随立方晶格常数变化的函数关系；

(c)压力对FE极化的四种不同作用机制的示意图。

【小结】

总的来说，该工作揭示了广泛存在于ABO3型钙钛矿材料的FE-AFD耦合的双重本质，表达了与“在任一具有实际重要性的体系中，FE-AFD耦合总为竞争关系”这一普遍观点的不同见解，对理解具有大AFD和FE的类LiNbO3化合物的铁电性有着至关重要的作用。

文献链接：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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