近日，我院王磊研究员和李锋钰教授指导研究生在电荷密度波和滑移铁电领域取得新进展，相关成果以“Ferroelectricity in charge-density-wave 1T-TiX2 (X = S, Se, and Te) bilayers”为题发表在物理学知名期刊Physical Review B（《物理学评论B》）。（论文链接：https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.111.024101）
图1 论文首页
多相共存的探索一直是凝聚态物理的重要课题，它可以产生丰富的物理现象，满足现代科学技术的需要。传统上，铁电性被认为只存在于电介质材料中，而铁电性和金属性被认为是互斥的，因为金属中的导电电子可以有效地屏蔽电场和偶极子。近年来，大量的理论和实验工作发现了层状材料可作为铁电金属。电荷密度波 (Charge Density Wave, CDW) 材料在温度影响下会发生结构相变，往往伴随着金属-绝缘体转变。在这样的体系中，通过层间滑移的方式引入铁电性，从而实现高温normal相和低温CDW相与极化共存，进一步发掘其相互作用产生的物理现象成为进一步研究的有趣课题。
图2 1T-TiX2 (X = S、Se、和Te) 双层normal相中的铁电性。
(a) 两个能量简并铁电 (FE1和FE2) 相和一个顺电 (PE) 相的侧视图和 (b) 俯视图。蓝色 (黄色) 和紫色 (橙色) 球分别代表顶层和底层的Ti (X) 原子，箭头表示极化方向。(c) 1T-TiS2双层的势能面。铁电切换路径用橙色虚线标记。以底层1T-TiS2单层为参考，x和y表示顶部1T-TiS2单层在实空间中的相对位移。(d) 1T-TiS2双层极化翻转路径上的能垒 (橙线) 和极化（蓝线）。
在这项工作中，我们通过第一性原理计算，成功地预测了CDW材料1T -TiX2 (X = S、Se、和Te) 中双层堆垛而产生的铁电性。由于在低温下发生的CDW转变伴随着金属-绝缘体转变，铁电极化也会发生变化。以1T-TiSe2为例，由于极化电子和导电电子的空间解耦分布，其双层在高温相时表现为铁电金属，铁电性和金属性可以共存，极化值高达0.38 pC/m。在CDW相变之后，由于周期性晶格畸变，这些双层表现出半导体性。同时，电子的屏蔽效应被消除，极化大约增加了两倍。有趣的是，我们在CDW相中发现了四种极化态，并证实可以通过低能耗的层间滑动实现多态调控。我们的发现将CDW相变与铁电性联系起来，这在多功能纳米器件中具有潜在的应用价值，并为开发下一代存储器件提供了一条设计极化多态的新途径。
2022级博士研究生刘宇为论文的第一作者，王磊研究员和李锋钰教授为该论文的通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金青年科学基金项目、国家自然科学基金地区基金项目、内蒙古自然科学基金青年基金项目、内蒙古自治区草原英才项目、内蒙古大学骏马计划、内蒙古大学青年科技人才培育项目等项目资助。
主要作者简介：
王磊，研究员，博士生导师。获国家自然科学基金青年科学基金、内蒙古自然科学基金青年项目、内蒙古草原英才，内蒙古自治区本级引进高层次人才科研支持。至今，在Science、Nature Communications、National Science Review、Nano Letters、ACS Nano、Physical Review B、Physical Review Materials等国际期刊上发表论文25篇，被引用1400余次，其中2篇论文入选ESI高被引论文。目前主要研究方向为电荷密度波材料和超导材料的第一性原理设计，磁性拓扑电子材料计算与设计和铁电金属材料计算设计。担任APS期刊审稿人。
李锋钰，教授，博士生导师。研究领域为低维纳米材料的模拟与设计。已在JACS、ACIE、ACS Catal、Phys Rev B等国际期刊发表论文80余篇，总引用近4300次，H-index为31。多个工作被选为封面论文和被知名科研媒介推送。担任Adv Powder Mater特聘编委和J Mater Inf青年编委，担任JMI、Nanomaterials和Catalysts特刊客座编辑，担任Nat Commun、Adv Sci、Small、J Mater Chem A等国际期刊独立审稿人。先后入选JMCA优秀审稿人、内蒙古自治区草原英才、JMI青编贡献奖和优秀论文奖等。
刘宇，2022级博士研究生，主要从事二维材料物理化学性质的理论研究。以第一或共同第一作者在国际著名期刊Physical Review B、Science China Materials、Journal of Materials Chemistry A、ACS Applied Materials & Interfaces和Nanoscale发表学术论文6篇。
