5d电子材料新奇物性研究中的关键科学问题_谷林.pdf

第 卷第期中国科学基金 科学论坛 电子材料新奇物性研究中的关键科学问题谷林张庆华于浦南天翔张余洋郝亚楠赖一楠高鸿钧南策文中国科学院 物理研究所，北京 清华大学 物理系，北京 清华大学 集成电路学院，北京 中国科学院大学 物理科学学院，北京 国家自然科学基金委员会 工程与材料科学部，北京 清华大学 材料学院，北京 收稿日期：；修回日期：本文根据第 期“双清论坛”讨论的内容整理。通信作者，：摘要基于国家自然科学基金委员会第 期“双清论坛”，本文介绍了 电子相关材料的新奇物性以及相关材料体系的研究意义，从理论、制备、表征、器件四个主要方向回顾了这一研究领域的研究现状以及面临的主要挑战，并进一步提出了亟需关注和解决的重要基础科学问题和重点研究方向。关键词功能材料；电子；自旋轨道耦合；凝聚态物理材料中的新奇物性总是吸引着材料科学、凝聚态物理领域学者们的目光。近些年来，随着研究的深入，已经有越来越多 电子相关材料开始进入大家的视野。而大量此类新材料及其特有的新奇物性的问世，无疑不代表 电子材料是一个值得研究者们重视的研究方向。电子因其径向分布函数的变化以及较强的自旋轨道耦合（，）效应，其性质显著区别于 或是 电子，为这一大类材料体系中众多新奇物性的出现提供了可能，其中部分物性甚至为 材料体系所独有。在目前已经发表的研究之中，众多理论上预言的新奇物性，如自旋霍尔效应、外尔半金属等，已经在 电子材料的相关体系中得到了实验的验证。此外，在 这一材料体系中，铁电金属的概念首次在实验上得以证实。同时，通过机器学习结合高通量计算的方法，也预言了 电子材料体系中的部分材料可能具有二维铁电效应等特殊物性，展现了这一材料体系在探索新南策文清华大学材料学院教授，中国科学院院士，发展中国家科学院院士。现任清华大学材料科学与工程研究院院长，兼任国际陶瓷联盟（）理事长、中国硅酸盐学会副理事长等。发表学术论文 余篇，出版学术专著部；获授权国家发明专利 项。多次主持召开国际、国内学术会议，在国际会议做主题报告、邀请报告 次。曾获国家自然科学奖二等奖项、省部级奖项、国外奖励项等。谷林清华大学材料学院教授，北京电子显微镜中心主任，国家杰出青年科学基金获得者。近年来在功能材料原子尺度结构与电子结构研究方面取得系列成果，发表论文 余篇，包括 及 正刊 篇，子刊 余篇，他引 余次，因子 。获得第十六届中国青年科技 奖 特 别 奖（）；入 选 科 睿 唯 安 材 料 科 学 领 域（）和化学领域（）全球高被引科学家。奇物性方面所具有的巨大潜力，为之后的人工材料设计与合成指出了可能的方向。具有无标度铁电性的 这一类超出了以往理论体系的独特材料，DOI:10.16262/ki.1000-8217.20230210.003 中国科学基金 年其性质来源尚待进一步理论上的探索。总结而言，已有的研究足以说明 电子材料是探索新奇物性，拓展认识边界的富矿。但是，伴随着丰富的新发现一同浮现的，还有科学家们需要面对的诸多挑战。虽然理论预言了诸多新奇物性，但是在电子相对论效应、屏蔽效应，之上的，凝聚态物理基础理论在近期并未有重大的突破，限制了对材料本质的认识与性能预测。另一方面，电子材料中更加复杂的体系，需要考虑的相互作用增加，使得对材料体系及其性质进行精确的第一性原理计算更加困难。在材料的制备上，虽然可以得到拥有理论预期优异性能的材料，但在如之类的材料中，其性能与理论预言的极限依旧有巨大的差距。如何克服从实际性能向理论极限的壁垒，以及增强对于材料体系的人工调控能力，依然是制备领域需要思考的问题。各类新奇物性的出现同样还伴随着对于表征技术要求的提高。发展对不同性质的针对性探测方法，材料各参量之间的协同观测与关联研究，也将是研究者们面临的重要难题。同时，不可忽略的是，电子材料的优异性质也带来了独有的应用前景。电子相关材料和合金可被应用于飞机发动机叶片这样的尖端制造业。信息产业中，无论是以 为代表的存储器件，还是以 为代表的晶体管材料，均被看作是对应工业领域中下一代材料体系的最有力竞争者。回望过去数十年中伴随着材料科学、凝聚态物理学科的快速发展所涌现出的，已经成为当年人类社会重要物质基础的诸多材料体系，例如作为半导体工业基础的硅材料体系，以及作为能源材料体系重要组成的锂、钠二次电池体系等，这些体系均走过了一条从科学研究到产业化应用，从实验室到工厂的发展道路。而工业界与科学界日益紧密的合作，以及研究机构、企业甚至国家对于这样的发展路线的重视与投入，使得从实验室走向工厂这一流程需要的时间日渐缩短。尽管从研究现状而言，电子材料的数个体系距离投入实际应用尚有距离，但是考虑其巨大的潜力，先期的布局十分必要。进一步考虑到，电子材料有望占据重要地位的部分应用方向，如信息产业，正是我国目前的短板所在，对于这一领域的重视与投入，也就有了更重要的价值，有望成为我国在对应领域补齐短板，甚至实现超越的关键举措。基于国家自然科学基金委员会（以下简称“自然科学基金委”）第 期“双清论坛”中诸位与会专家学者关于 电子及其新奇物性的报告与讨论，本文将从基础理论、材料制备、实验表征、器件应用四个方面，分别探讨 电子材料相关研究的价值与重要意义，梳理并论述对应领域的发展趋势和面临的挑战，总结并提出亟需关注和解决的重要基础科学问题和重点研究方向。电子的理论认识及新奇物性位于元素周期表第周期含有 电子的元素，其单质有高密度、高熔点、高强度和高抗腐蚀等物理、化学特性，而相应的化合物则往往表现出拓扑物态、重费米子等新奇光电磁物性。因此，本节聚焦于 电子特点、新奇物性及其发展现状等重点问题，从理论认识和新奇物性两个方面出发，探讨了 电子独特作用的内在微观物理机制。电子的理论认识随着原子序数的增加，相对论效应所带来的 电子轨道膨胀和 电子塌缩，使得 轨道和 轨道的轨道能级相近，从而导致 电子可成键数量增多，带来了结构和化学上的机遇，如超硬、超高温稳定性等优异性能。此外，电子的强 使得能级劈裂产生新电子态，与空间、时间对称性破缺相互作用，带来了自旋霍尔效应、效应、拓扑表面态、磁性斯格明子、外尔半金属等新量子效应和新功能性。理论研究方面，电子具有 和关联效应（）两大优势，使得相关材料具备特殊物性。另一方面，复杂相互作用却会给计算带来挑战，需要同等处理晶体场、等多个关键相互作用量，并需建立多体模型进行求解，而这当中又会遇到 导致复杂磁构型等难题。因此，亟需发展多体关联体系的计算方法，将单电子能带理论推广到多体关联体系，深入探索强自旋轨道耦合下电子关联相互作用。在材料研究新范式上，日新月异的计算能力和日趋完善的计算模型使得高通量计算和机器学习等方法的结合将大有用武之地。借助于庞大的计算能力，对于虚拟的材料体系，机器学习模型能够快速优化其材料结构，推测出潜在的功能材料。而后结合高通量计算，对于多种可能的材料进行最终筛选，能够有效减少新材料制备时的试错环节。这种深度挖掘 电子材料的方法，可以从理论上预测 电子新效应和优异性能，指导 新材料探索和原子尺度第 卷第期谷林等：电子材料新奇物性研究中的关键科学问题 构筑。不过，在 电子的理论方面还存在诸多未明之处，仍需要计算、实验方面的工作，为相关理论的突破夯实 基 础，从 而 进 一 步 厘 清 电 子 的 独 特作用。电子材料的新奇物性 电子的轨道在实空间更加延展，具有相对较弱的关联作用、相对较强的晶体场和更强的自旋轨道耦合，三者相互竞争并与对称性破缺相互作用，衍生出丰富的新奇量子特性和广阔的应用场景。铁电性方面，和 等的弱轨道杂化和 孤对电子状态导致晶格和电荷的自发极化，使其具有优异的铁电压电性能和难以替代性，在铁电压电器件方面得到广泛的应用。但 和 电子的复杂性也给如何解释电子行为与优异铁电性之间的直接关联增加了极大的难度，仍需更多的实验和理论证据深层次揭露构效关系。基铁电体具有无标度铁电性和 工艺兼容等优势，有望推动信息存储与处理技术的变革，但存在唤醒效应、疲劳失效、窗口不均一等难题。在结构转变温度以下时，晶体结构的对称中心在结构相变过程中消失，但在结构相 变 前 后，始 终 表 现 出 良 好 的 金 属性。这一实验发现首次证实了“铁电金属”的概念，还表明金属与绝缘体中结构转变的机制并非截然不同，仍需进一步研究。基范德瓦尔斯层状材料在二维铁电性的探索中表现优异，具有稳定的结构和极高的理论迁移率，并且还是二维体系中难得的型半导体材料，可实现双极性调控。而且，其量子限域效应结合强自旋轨道耦合预期会形成更多新奇物性。拓扑物态方面，电子材料中的复杂电子行为正是拓扑物态的来源。例如，在 氧化物中，第一性原理计算表明，通过改变 原子上的电子关联强度，可使得该体系在费米能级附近存在外尔点；随着逐渐增强，外尔点之间会逐渐靠近并发生湮灭，导致绝缘相。的砷化物作为可以稳定存在的非磁性非中心对称的 半金属，可用于观测 电子态及其特有的物理特性。在 和 等化合物中发现大能隙二维拓扑绝缘体并首次实现了三维量子霍尔效应等，表明 拓扑材料在实现拓扑磁性、拓扑超导、拓扑关联等新奇拓扑物态方面具有极大潜力。稀土发光领域，稀土镧是元素周期表第周期中第个含有 电子的元素。除了特征的 电子，镧系元素、和 均具有 电子，部分镧系元素在离子状态也具有 电子，因此，稀土材料是典型的 电子材料。以 、为代表的稀土离子会产生特征的 跃迁发射，即在激发态的个 电子在返回 基态时产生荧光发射，这一物性也属于 电子的直接效应。由于 电子结构容易受其周围原子环境的影响，这类稀土发光材料呈现出可调变性的发光光谱，可满足新型显示、红外信息探测等新一代信息技术领域的应用。电子跃迁发射可调变性的发光光谱，对于解决新型显示、信息探测等国家重大需求具有重要意义。在自旋轨道矩方面，自旋轨道耦合是将自旋运动与轨道运动联系起来最重要的桥梁，它使得人们可以用电学和光学方法来灵活地控制自旋。基于自旋轨道耦合这一基本物理原理发展而来的自旋轨道转矩，由于能够有效地控制磁存储单元的磁矩，就可以用来翻转磁化方向，进而可作磁记忆存储方面的应用。在 氧化物体系中，我们可以通过材料生长控制磁化方向从而实现零磁场 的翻转，而且这样的翻转可以抵抗更高的外磁场干扰，具有更好的耐用性。尽管 电子材料具有众多的新奇物性和广阔的应用前景，但多数新奇物性的发现和调控处于早期阶段，而且其中与 电子相关的物理机制尚无定论，电子材料制备还面临诸多难题。需要研究探索如何紧密结合理论预测、材料制备和实验测量，找出 电子的共性规律，为颠覆性技术的开发奠定物理和材料基础。电子材料的原子尺度精准构筑及调控高质量材料是材料科学研究的基石。对于 过渡金属氧化物的新物相设计、可控制备和物性调控等重点问题，电子材料原子尺度构筑和有效调控方式，可以概括为以下三个方面：超晶格及界面耦合构筑 人工晶体异质结和异质界面通过界面耦合和重构可以突破单相材料限制，提供调控 材料电荷、轨道的新方案。在激 光 分 子 束 外 延 生 长 的 非 对 称 界 面 的 超晶格，空间反演和时间反演对称性的同时破缺给界面带来了 相互作用，从而创造出了自旋序和极化序的强耦合，并诱导出了磁电相变。拓展异质结的材料体系，寻找及合成新的 电子氧化物材料，为人工设计新型量子体系提供了思路，推动发掘新物性、实现新 中国科学基金 年功能。阴离子有序性构筑设计新物相以氧空位有序为代表的阴离子有序性构筑可同时对电荷和对称性进行调控，是新物相设计的重要方向。例 如，在 原 位 真 空 退 火 压 应 力 作 用 下 的 薄膜中，氧离子被诱导脱出并形成交叉排列的氧空位有序，实现了居里温度约为 的近室温绝缘铁磁特性的 薄膜。因此，可以尝试借鉴层状氧空位有序结构在高温超导性中的关键作用，利用阴离子有序性构筑调控 过渡金属氧化物的电荷、自旋、轨道和晶体场，最终助力实现 过渡金属氧化物中磁性、金属性和极化的关联统一。电场选择性离子嵌入调控氧化物物相和功能 过渡金属氧化物的电子掺杂是一个难点问题。传统化学掺杂和应力调控的幅度有限，所以需要探索电场选择性地控制离子嵌入来调控 过渡金