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中国科学院物理研究所 EX1组供稿 第52期 2013年09月30日
北京凝聚态物理国家实验室
LiOsO3-金属中的铁电结构转变

    铁电性一般出现在绝缘体材料中。铁电材料在一定温度范围内具有自发极化的基本性质,其自发极化强度受到外加电场的作用可以发生反转或重新排列。铁电性在相变温度(即居里温度)总是伴随着晶格结构的改变,表现为中心反演对称性的破缺。在金属中,由于传导电子的屏蔽作用,自发极化很难进行,因此观察不到铁电性。  
    1965年,诺贝尔奖获得者Philip Anderson 教授和合作者Blount 基于晶体结构对称性的研究,最早提出了铁电金属的概念,认为金属也可以表现出如广为人知的铁电材料LiNbO3 LiTaO3相同的结构转变。然而,近半个世纪以来,此类材料从来没被实验证实
    最近中科院物理研究所
/北京凝聚态物理国家实验室(筹)王楠林课题组的石友国副研究员与日本国立材料研究所(NIMS)的Kazunari Yamaura研究员合作,通过高压合成法,成功制备出一种新型的5d 过渡金属氧化物LiOsO3。在140 K 附近,LiOsO3具有结构相变,电阻测量表明相变前后LiOsO3均表现出良好金属性(图1)。对LiOsO3在室温及90 K时沿着[120]轴向进行的汇聚束电子衍射(convergent electron beam diffractionCEBD)表征发现,在结构转变温度以上,CEBD衍射图可以用中心对称的空间群R-3c表示,而在转变温度以下,衍射图样则表示为非中心对称的空间群R3c,意味着晶体结构的对称中心在结构相变过程中消失(图2)。为了进一步揭示结构相变的机制,他们与牛津大学物理系Andrew Boothroyd教授研究组合作,在英国ISIS中子源对LiOsO3进行了中子散射的研究。实验证实,伴随着结构相变Li离子沿着晶体的c轴方向位移较大(图3)。对中子散射图谱的结构精修证实了CEBD给出的结构模型,而对称性的消失正是由于Li离子沿着c轴方向移动的结果。这些结果清楚地表明在LiOsO3金属中的确存在与铁电材料LiNbO3 LiTaO3 相同的结构转变,表现出中心反演对称性的破缺 
    该实验发现首次验证了Anderson Blount提出的铁电金属的概念,同时还表明金属与绝缘体中结构转变的机制并非截然不同,在某些情况下也可能出现类似的情况。另外,铁电金属的发现,会带来诸多可能的有趣物理现象,例如在某些条件下可能存在非中心对称的超导材料等,因而具有较高的研究价值。 
    以上结果发表在最近一期Nature Materials杂志上,并且被选为News&Views专门点评。该研究得到了科技部973项目(No. 2011CB921701 and 2011CBA00110)和中国科学院的支持。  
    文章链接: 
    http://www.nature.com/nmat/journal/vaop/ncurrent/pdf/nmat3754.pdf 
    http://www.nature.com/nmat/journal/vaop/ncurrent/pdf/nmat3774.pdf 


1 LiOsO3 的电磁学物理性质。 


    2  (a)室温和(b) 90 K 时沿 LiOsO3 [120] 区间轴的CEBD图谱。(c) (d) 对应利用中心对称模型(R-3c) (d) 非中心对称模型(R3c)拟合结果。箭头或箭状图形表示沿倒易空间c* 方向中心对称在晶体结构中存在或消失的情况,反映了中心反演对称性的破缺。 


    3  根据中子散射数据结构精修得到的晶体结构示意图,清楚的显示了Li离子沿c轴的移动情况。 


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