Cyclic ferroelectric switching and quantized charge transport in CuInP2S6

范德瓦尔斯力 铁电性 离子 物理 极化(电化学) 电荷(物理) 绝热过程 材料科学 结晶学 凝聚态物理 量子力学 电介质 化学 物理化学 分子
作者
D. G. Seleznev,Sobhit Singh,John Bonini,Karin M. Rabe,David Vanderbilt
出处
期刊:Physical review [American Physical Society]
卷期号:108 (18) 被引量:18
标识
DOI:10.1103/physrevb.108.l180101
摘要

The van der Waals layered ferroelectric ${\mathrm{CuInP}}_{2}{\mathrm{S}}_{6}$ has been found to exhibit a variety of intriguing properties arising from the fact that the Cu ions are unusually mobile in this system. While the polarization switching mechanism is usually understood to arise from Cu ion motion within the monolayers, a second switching path involving Cu motion across the van der Waals gaps has been suggested. In this work, we perform zero-temperature first-principles calculations on such switching paths, focusing on two types that preserve the periodicity of the primitive unit cell: ``cooperative'' paths preserving the system's glide mirror symmetry, and ``sequential'' paths in which the two Cu ions in the unit cell move independently of each other. We find that ${\mathrm{CuInP}}_{2}{\mathrm{S}}_{6}$ features a rich and varied energy landscape, and that sequential paths are clearly favored energetically both for cross-gap and through-layer paths. Importantly, these segments can be assembled to comprise a globally insulating cycle with the out-of-plane polarization evolving by a quantum as the Cu ions shift to neighboring layers. In this sense, we argue that ${\mathrm{CuInP}}_{2}{\mathrm{S}}_{6}$ embodies the physics of a quantized adiabatic charge pump.
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