Large family of two-dimensional ferroelectric metals discovered via machine learning

铁电性 凝聚态物理 材料科学 肖特基势垒 费米能级 电子 物理 光电子学 电介质 量子力学 二极管
作者
Xingyu Ma,Hou-Yi Lyu,Kuan-Rong Hao,Yiming Zhao,Xiaofeng Qian,Qing‐Bo Yan,Gang Su
出处
期刊:Science Bulletin [Elsevier BV]
卷期号:66 (3): 233-242 被引量:64
标识
DOI:10.1016/j.scib.2020.09.010
摘要

Ferroelectricity and metallicity are usually believed not to coexist because conducting electrons would screen out static internal electric fields. In 1965, Anderson and Blount proposed the concept of 'ferroelectric metal', however, it is only until recently that very rare ferroelectric metals were reported. Here, by combining high-throughput ab initio calculations and data-driven machine learning method with new electronic orbital based descriptors, we systematically investigated a large family (2,964) of two-dimensional (2D) bimetal phosphates, and discovered 60 stable ferroelectrics with out-of-plane polarization, including 16 ferroelectric metals and 44 ferroelectric semiconductors that contain seven multiferroics. The ferroelectricity origins from spontaneous symmetry breaking induced by the opposite displacements of bimetal atoms, and the full-d-orbital coinage metal elements cause larger displacements and polarization than other elements. For 2D ferroelectric metals, the odd electrons per unit cell without spin polarization may lead to a half-filled energy band around Fermi level and is responsible for the metallicity. It is revealed that the conducting electrons mainly move on a single-side surface of the 2D layer, while both the ionic and electric contributions to polarization come from the other side and are vertical to the above layer, thereby causing the coexistence of metallicity and ferroelectricity. Van der Waals heterostructures based on ferroelectric metals may enable the change of Schottky barrier height or the Schottky-Ohmic contact type and induce a dramatic change of their vertical transport properties. Our work greatly expands the family of 2D ferroelectric metals and will spur further exploration of 2D ferroelectric metals.
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