Light-Driven Ferroic Switching Enables Reversible Control of Hydrogen Adsorption Thermodynamics

皮秒 化学物理 超短脉冲 材料科学 铁电性 离子键合 再分配(选举) 电介质 吸附 单层 热力学状态 固体氢 钙钛矿(结构) 反铁磁性 联轴节(管道) 化学 热力学平衡 非平衡态热力学 相变 基态 凝聚态物理 中间状态 热力学
作者
Xue‐Qing Wan,Zhenlong Zhang,Charles Paillard,Jian Zhou,Jinyang Ni,C R Yang,Zhijun Jiang,Laurent Bellaiche
出处
期刊:Nano Letters [American Chemical Society]
卷期号:26 (22): 7312-7321
标识
DOI:10.1021/acs.nanolett.6c00956
摘要

Reversible ultrafast switching of surface thermodynamics is highly desirable for hydrogen storage and catalysis yet remains elusive at the nanoscale. Here, we demonstrate that photoinduced ferroic-order switching in two-dimensional ionic ferroelectric monolayers enables rapid, reversible control of hydrogen binding. In TiGeSe 3, carrier-density-driven redistribution of transition-metal 3 d orbital occupations triggers a sequential evolution from the ferroelectric ground state to paraelectric phases with staggered or zig-zag antiferromagnetic order. This switch continuously tunes the hydrogen adsorption free energy from 0.33 to 1.11 eV, shifting the interface from near-thermoneutrality to spontaneous desorption. Nonadiabatic dynamics simulations indicate that electron–phonon coupling promotes nonthermal H release, while picosecond carrier recombination rapidly restores the initial ferroic order, closing an ultrafast reversible cycle. Generality is further validated in AgBiP 2 Se 6 and CuInP 2 S 6, establishing ferroic order as an optically addressable knob for dynamic thermodynamic reconfiguration beyond static design.
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