Ferroelectricity Induced by a Combination of Crystallographic Chirality and Axial Vector

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作者
Takayuki Nagai,Masato Hagihala,Rie Yokoi,Hiroki Moriwake,T. Kimura
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:146 (33): 23348-23355
标识
DOI:10.1021/jacs.4c06283
摘要

Ferroelectric materials compatible with magnetism and/or conductive properties provide a platform for exploring unconventional phenomena, such as the magnetoelectric effect, nonreciprocal responses, and nontrivial superconductivity. Though recent studies on multiferroics have offered several approaches, the search for magnetic and/or conducting ferroelectric materials is still a challenging issue under the traditional "d0-ness" rule, refusing active d electrons. Here, we propose the emergence of ferroelectricity through a combination of crystallographic chirality and axial vector, accepting even non-d0 magnetic ions. This proposal is demonstrated in quasi-one-dimensional magnetic systems SrM2V2O8 (M = Ni, Mg, and Co). The ferroelectric phase transition is observed by measurements of neutron powder diffraction and dielectric properties in all compositions. Structural analyses and first-principles calculations indicate that these magnetic compounds are identified as proper-type ferroelectrics whose ferroelectric phase transition is achieved by spiral motions of crystallographic screw chains formed by edge-shared MO6 octahedra, considered as the combination of locally defined chirality and axial vector. Computationally predicted magnitude of spontaneous polarization of SrM2V2O8 reaches ∼100 μC/cm2, comparable to that of conventional ferroelectrics, despite the incorporation of non-d0 magnetic elements. The mechanism proposed in this study offers a unique approach to the exploration of new ferroelectrics beyond the traditional paradigms.
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