北京
上世纪六十年代，诺贝尔物理学奖获得者P. W. Anderson等人预言，尽管导电电子会屏蔽长程偶极相互作用，但金属中仍可能发生类似铁电体的极性结构相变，从而打开了极性金属研究的序幕。实验上，直到2013年才在LiOsO₃中首次发现140 K以下的极性金属态。近年来，层间堆垛与界面结构调控等策略进一步拓展了极性金属体系，但部分材料仅在低温下形成极性，另一些则依赖特定的堆垛、界面或化学计量条件。如何在体相材料中实现极性与金属导电性的共存，并使极性结构稳定保持至远高于室温，一直是该领域的重要挑战。相比研究较为充分的钙钛矿氧化物极性金属材料，钙钛矿氮化物原理上具有更强更稳定的“金属—氮”共价作用，有望在更高温度下同时实现极性结构畸变与金属导电性质，为研究高热稳定的极性金属材料提供了机会，高压高温合成则为突破钙钛矿氮化物块体材料制备难题提供了有效途径。
近日，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心磁学国家重点实验室龙有文研究员团队，利用高压高温实验技术，在5 GPa和1773 K条件下成功制备了高质量钙钛矿氮化物CeWN₃块体材料。高分辨同步辐射XRD、电子叠层成像和纳米束四维扫描透射电子显微研究共同确立了CeWN₃的正交Pna2₁极性结构，其三维骨架由共顶点连接的WN₆八面体构成，W离子的偏心位移是极性的主要来源，极性轴沿晶体c轴方向。变温光学二次谐波测量表明，样品在氩气中加热至约850 K时仍保持明显的极性响应，其极性具有显著的高温稳定性。温度依赖的电阻率测量表明材料具有金属性输运行为，光学电导中的Drude响应与低温比热中的电子贡献进一步证实了其巡游电子特征。第一性原理计算揭示，Ce 4f电子主要保持局域化，但W 5d与N 2p轨道在费米能级附近强烈杂化，形成具有金属特征的能带结构，W−N网络构成了三维导电骨架。因此，产生极性畸变的WN₆八面体同时也是承载巡游电子的结构单元，使得晶格极性与金属导电性这两种看似难以相容的特征可在CeWN₃同一结构单元中同时实现。该工作明确了CeWN₃的极性晶体结构，揭示了其极性与金属导电性共存的微观起源，为探索高温稳定的极性金属开辟了新的材料方向。
图. CeWN₃的(a) 高分辨同步辐射XRD；(b) 高温极性稳定性；(c) 微观极性表征；(d) 金属性与电子结构。
上述研究成果以“Observation of thermally stable polar metallic state in perovskite nitride CeWN₃”为题发表于《Science Advances》。物理所副研究员叶旭斌为论文第一作者，陈震特聘研究员和龙有文研究员为通讯作者。该工作还得到了物理所邱祥冈研究员、潘昭副研究员，北京理工大学洪家旺教授，清华大学谷林教授，德国马普所Z. W. Hu博士等国内外合作团队的紧密合作。该工作受到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京市自然科学基金及教育部基础学科和交叉学科突破计划等项目资助，并得到怀柔综合极端条件实验装置等大科学装置支持。
编辑：Kele.
特别声明：以上内容(如有图片或视频亦包括在内)为自媒体平台“网易号”用户上传并发布，本平台仅提供信息存储服务。
Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.
