根据朗道相变理论，相变的本质是对称性破缺，它是塑造材料结构、催生新奇量子相的基本空间度量。然而，同成分（isocompositional）体系在层状与非层状结构之间的相变通常被限制在相同的成键网络内——两类结构在表面能和面外化学键上的巨大差异，使得彼此之间的直接转变极为罕见。范德华（vdW）材料因强面内共价键与弱面外范德华作用而表现出层依赖的各向异性；已报道的层状材料相变大多只涉及面内晶格畸变而不改变层间范德华作用，例如MoTe₂由2H相到1T′相的转变、In₂Se₃的层间重构相变等，转变前后体系仍保持层状网络。此前报道的TiSe₂–Ti₂Se₉层状/非层状相变则伴随原子析出与成分变化，通常不可逆。因此，对同成分的层状↔非层状转变、以及由此带来的结构依赖拓扑相，仍缺乏系统研究。本工作以拓扑半金属PtBi₂为对象填补这一空白。

yl23455永利集团周家东教授、郑守君副教授、蒋伟教授与三峡大学杨柳博士等人合作，报道了PtBi₂在层状铁电（L-FE）相与非层状T′（NL-T′）相之间由外场驱动的可逆相变。在电压与电流扫描下，器件均表现出可逆的电阻回滞环，其起源为界面焦耳热效应及相变诱导的接触电阻跳变。通过高角环形暗场扫描透射电镜（HAADF-STEM），团队确认了相变中形成的NL-T′相：L-FE相中一半的Pt原子迁入范德华间隙，与相邻层Bi原子成键，揭示出"层内劈裂 + 层间重构"的独特机制。DFT计算进一步表明，该界面相变不仅带来层状/非层状结构改变，还伴随结构依赖的拓扑不变量变化，从而将层状/非层状相工程确立为探索拓扑与功能量子态的新平台。

图1 PtBi₂的三种可能相及温度依赖的SHG与拉曼光谱。(a–c) DFT优化后三种稳定结构（自左至右为层状铁电L-FE相、层状T相L-T、非层状T′相NL-T′）的俯视图与侧视图。(d) NL-T′相声子谱无虚频，表明结构稳定。(e) L-FE相薄片的偏振角分辨SHG信号。(f) 原位变温SHG光谱，信号在约600k附近急剧下降，标志相变发生；插图为薄片光学照片。(h) L-FE PtBi₂薄片的原位变温拉曼光谱。(j) 拉曼模随温度移动的导数图。

图2 PtBi₂中电流诱导的电阻回滞环。(a) 器件光学照片与结构示意图。(b) 接触电阻（两探针）与四探针电阻随温度的变化，表明输运由接触电阻主导。(c) 10 K下的I–V曲线，在约±0.8 V出现清晰回滞与电流跳变。(d) 300 K下两探针（蓝）与四探针（绿）R–V曲线；四探针无阻态切换，说明切换发生在电极界面区。(e) 不同温度下的R–V曲线。(f–h) 器件温度分布、沿虚线的温度剖面及基于焦耳热的R–V模拟，与实验一致。

图3 L-FE相与NL-T′相的原子结构。(a–b) L-FE相在(010)与(210)晶面的截面HAADF-STEM像，右侧为对应模拟像。(c–d) NL-T′相在相同视向((103)、(101))的截面像。(e–f) 相界处L-FE相（蓝）与NL-T′相（绿）共存，黄色虚线示意Pt原子的层间重构路径。(g–h) 沿白虚线的原子强度剖面，反映两相原子间距差异。(i) EDX结果证实两相成分相同，为同成分相变。

图4 相变路径与能量分布。(a) L-FE→NL-T′相变的能量曲线，L-T相为高能亚稳态，插图为器件中三种相的STEM像。(b) 三种相在不同温度下的相变路径示意。(c) 化学键由层状到非层状的层内劈裂与层间重构示意。(d) 另一PtBi₂器件的I–V曲线，黄色箭头指示多重电导态，对应多个NL-T′相态。(e) 对应器件截面STEM像，白虚线标出不同NL-T′相畴壁。

图5 层状/非层状相变驱动的拓扑演化。(a–b) L-FE相与NL-T′相考虑（蓝）与不考虑（红）自旋轨道耦合的能带，绿色虚线圈标出SOC打开的能隙。(c–d) L-FE相在(100)、(001)投影的表面态。(e–f) NL-T′相在(100)、(010)投影的表面态。(g) 层状与非层状拓扑边界态及所提出拓扑异质结的示意图。相变实现了从层状自旋霍尔绝缘体到非层状强拓扑绝缘体的转变。

本工作在PtBi₂中实现了由外场驱动、在层状铁电（L-FE）相与非层状T′（NL-T′）拓扑相之间的可逆相变。焦耳热诱导的可逆电阻回滞环与该层状/非层状相变直接关联；HAADF-STEM确认了NL-T′相的原子结构及其"层内劈裂 + 层间重构"的形成机制；DFT计算证实了NL-T′相的稳定性、相变能垒及拓扑性质。研究表明层间成键类型与对称性在相变动力学中起关键作用：L-FE相（自旋霍尔绝缘体）可转变为NL-T′相（强拓扑绝缘体），二者拓扑不变量分别为(0;001)与(1;000)。该层状/非层状相工程为设计非公度结构、构筑多功能拓扑异质结、以及探索增强的电子关联（如磁有序、电荷密度波、非常规超导）提供了新途径。

文献链接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-75893-x