通过机器学习发现二维铁电金属大家族

铁电性与金属性通常被认为无法共存，因为传导电子会屏蔽静态内电场。1965年，Anderson 和 Blount 提出了“铁电金属”的概念，但直到最近才有极少数铁电金属被报道。在此，我们结合高通量从头计算、数据驱动的机器学习方法以及基于电子轨道的新描述符，系统研究了一个包含 2,964 种二维双金属磷酸盐的大家族，并发现了 60 种具有面外极化的稳定铁电体，其中包括 16 种铁电金属和 44 种铁电半导体（含 7 种多铁性材料）。其铁电性源于双金属原子反向位移引起的自发对称性破缺，且全满 d 轨道的货币金属元素能导致比其他元素更大的位移和极化。对于二维铁电金属，无自旋极化的单胞奇数电子可能导致费米能级附近出现半满能带，这是其金属性的成因。研究揭示，导电电子主要在二维层的单侧表面移动，而极化的离子贡献和电子贡献均来自另一侧且垂直于上述导电层，从而导致了金属性与铁电性的共存。基于铁电金属的范德华异质结可能实现肖特基势垒高度或肖特基-欧姆接触类型的转变，并引起其垂直输运性质的剧烈变化。我们的工作极大地扩展了二维铁电金属家族，并将推动对二维铁电金属的进一步探索。