基于第一性原理的 BiMnO$_3$ 外延相

块体 BiMnO$_3$ 是唯一一种绝缘且表现出强铁磁性的过渡金属钙钛矿氧化物。如果它也是一种极性材料，这种独特的行为将使其成为磁电多铁性材料的有力候选者，但实验表明块体 BiMnO$_3$ 要么具有非常小的极化（低于 0.1~$\mu$C/cm$^2$），要么最有可能是一种顺电体。另有实验证据表明，生长在 SrTiO$_3$ 上的 BiMnO$_3$ {\em 薄膜} 中的极化可高达 20~$\mu$C/cm$^2$。尽管人们对这些行为颇感兴趣，但 BiMnO$_3$ 作为外延应变函数的相图在很大程度上仍未被探索。在本文中，我们利用第一性原理预测，在足够的压缩和拉伸外延应变下，BiMnO$_3$ 薄膜均呈现铁电性，并具有约 100~$\mu$C/cm$^2$ 的巨大极化。薄膜所展现的相与在类似条件下实验发现的 BiFeO$_3$ 相相似——在压缩应变下，薄膜呈超四方结构，其极化具有较大的面外分量；而在拉伸应变下，极化主要指向面内。与 BiFeO$_3$ 薄膜类似，这些相是反铁磁性的——导致 BiMnO$_3$ 铁磁性的轨道有序在极性相中不存在。我们的计算还表明，其中一些 BiMnO$_3$ 薄膜的带隙 substantially 小于铁电氧化物中通常发现的带隙，表明它可能是光伏应用的合适材料。