铜基d9 多铁材料的设计：从高温超导母体到铁电-磁耦合新体系

　　本研究针对多铁材料中磁电耦合机制的设计难题，提出基于铜氧化物高温超导母体（d9 构型）的创新策略。通过第一性原理计算预测了SnCuO2 和PbCuO2 的新型多铁特性，揭示其P4mm空间群中铜氧层屈曲诱导的铁电性，以及Cu位点反铁磁(AFM)基态。该工作为开发电荷转移型多铁体提供了新思路，对多功能器件设计具有重要价值。

　　

在凝聚态物理领域，铁电材料与高温超导体的研究长期占据重要地位。铁电体因其非中心对称结构带来的电极化可切换特性备受关注，而铜基高温超导体的奥秘则源于其母体化合物的莫特绝缘体特性。这两类材料看似独立，却在本研究中产生了奇妙交集——如何利用铜氧化物中特有的d⁹
电子构型（Cu²⁺
的3d电子排布）设计兼具铁电与磁有序的多铁材料，成为突破传统材料设计边界的关键科学问题。

河北大学的研究团队在《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》发表的研究中，创新性地提出以铜氧化物高温超导母体CaCuO₂
（空间群P4/mmm）为模板，通过引入Sn/Pb元素诱导结构畸变，成功设计出新型多铁材料SnCuO₂
和PbCuO₂
。这类材料不仅保留了铜氧层的反铁磁(AFM)序，更通过结构屈曲打破反演对称性，实现了铁电性与磁有序的共存，为开发电场调控磁性的多功能器件提供了全新材料平台。

研究采用密度泛函理论(DFT)结合HSE杂化泛函方法，通过VASP软件包进行晶体结构优化和电子结构计算。关键实验技术包括：1）基于LDA的几何优化确定P4mm极性空间群结构；2）HSE方法精确处理强关联电子体系；3）12×12×12 Monkhorst-Pack k点网格采样；4）500 eV截断能保证计算精度。

Ideas of multiferroics with a d⁹
configuration
研究团队提出"双势阱"模型阐释铁电相变机制：高温相P4/mmm结构通过Sn/Pb的6s²
孤对电子与O 2p轨道杂化，驱动铜氧层屈曲形成低温P4mm极性相。电子结构分析显示，Cu 3d_x²
-y²

轨道跨越费米能级，形成电荷转移绝缘体，这与母体化合物La₂
CuO₄
的电子特征高度相似。

Conclusions
最终证实SnCuO₂
和PbCuO₂
是典型的d⁹
构型多铁体：1）具有P4/mmm→P4mm的铁电相变路径；2）铜位点呈现AFM基态；3）带隙约2.1 eV的电荷转移特性；4）磁电耦合源自铜氧层屈曲与磁序的协同作用。

Statement of Novelty
该研究的创新性体现在：首次将高温超导母体的d⁹
构型与铁电设计结合，提出的"结构屈曲诱导多铁性"机制有别于传统螺旋磁序诱导铁电性方案。理论预测的SnCuO₂
代表了一类新型电荷转移多铁绝缘体，其电子结构特征为探索电场调控高温超导提供了新可能。

这项研究的重要意义在于：1）拓展了多铁材料设计思路，将铜氧化物电子结构优势引入功能材料开发；2）验证了孤对电子效应在铜基材料中诱导铁电性的可行性；3）为开发基于高温超导母体的新型磁电耦合器件奠定理论基础。研究团队特别指出，这类材料的潜在应用包括非易失性存储器和低能耗自旋电子器件，但其实际性能仍需后续实验验证。