Ontdekking van ferro-elektriciteit in een elementaire substantie

Natuurkundigen van de National University of Singapore (NUS) hebben een nieuwe vorm van ferro-elektriciteit ontdekt in een bismut-monolaag met één element die regelmatige en omkeerbare dipoolmomenten kan produceren voor toekomstige toepassingen van niet-vluchtige geheugens en elektronische sensoren.

Ferro-elektriciteit verwijst naar het fenomeen van bepaalde materialen die een spontane elektrische polarisatie vertonen die kan worden omgekeerd door een extern elektrisch veld aan te leggen. Ferro-elektrische materialen worden gekenmerkt door een kristalstructuur zonder symmetriecentrum.

Vanwege de potentiële toepassingen voor gegevensopslag hebben ferro-elektrische materialen brede onderzoeksaandacht getrokken. Bovendien zijn hun piëzo-elektrische, thermo-elektrische en niet-lineaire optische eigenschappen uitgebreid bestudeerd in onderzoeksgebieden zoals hernieuwbare energie, micro-elektromechanische systemen en optische apparaten.

In de afgelopen jaren zijn tweedimensionale (2D) ferro-elektrische materialen naar voren gekomen als een nieuwe kanshebber op het gebied van neuromorfe synapsapparaten, die het voordeel van lage dimensionaliteit laten zien. De ontwikkeling van 2D ferro-elektrische materialen is echter nog beperkt vanwege het kleine aantal beschikbare materialen.

Ferro-elektriciteit komt vaak voor in verbindingen die zijn samengesteld uit meerdere samenstellende elementen, waarbij de winst en het verlies van elektronen tussen de bestanddelen de vorming van positieve en negatieve ionen in het kristal bevordert. Regelmatige atoomvervorming of ladingsordening tussen subroosters leidt tot het breken van de centrale symmetrie, waardoor de vorming van ferro-elektrische polarisatie wordt bevorderd.

Onlangs deed een onderzoeksteam onder leiding van professor Andrew Wee van de afdeling Natuurkunde van de NUS Faculteit Wetenschappen een baanbrekende ontdekking van de enkelvoudige ferro-elektrische toestand in 2D zwart fosforachtig bismut (BP-Bi), waarmee het traditionele begrip teniet werd gedaan. van ferro-elektriciteit hierboven vermeld.

Door gebruik te maken van geoptimaliseerde scanning tunneling microscopie (STM) en contactloze atoomkrachtmicroscopie (nc-AFM) technieken, deden de onderzoekers een gedetailleerde observatie van de centrosymmetrie-breking op de atomaire structuur en ladingsoverdracht tussen subroosters in BP-Bi. Voor het eerst werden de ioniteit met één element, polarisatie met één element in het vlak en ferro-elektriciteit met één element allemaal experimenteel aangetoond in de bismut-monolaag. Deze ontdekking verandert het concept dat ionische polarisatie alleen bestaat in verbindingen met kationen en anionen, en vergroot de reikwijdte van de ontwikkeling van ferro-elektriciteit in de toekomst.

Dit werk wordt uitgevoerd in samenwerking met professor Lan Chen van het Institute of Physics, Chinese Academy of Sciences en professor Yunhao Lu van de School of Physics, Zhejiang University. De bevindingen zijn gepubliceerd in Natuur op 5 april 2023.

De onderzoekers hebben de hoogwaardige BP-Bi op het Van der Waals-grafietoppervlak geprepareerd, zodat de monolaag BP-Bi intact en vlak genoeg is voor de metingen. Door gebruik te maken van de hoge ruimtelijke resolutie van nc-AFM, wordt de atomaire configuratie met knikken (DH≠0) van BP-Bi, evenals de herverdeling van lading tussen de twee subroosters werden bepaald door AFM-beeldvorming en Kelvin-sondemicroscopie (KPFM) -metingen. Daarna wordt een regelmatige dipoolopstelling in het vlak bevestigd in de BP-Bi-monolaag. Ter vergelijking: enkellaags fosfor (fosforeen) heeft geen knik in elke onderlaag – daarom is het centrosymmetrisch en niet-gepolariseerd. Vervolgens wordt polarisatieschakeling van BP-Bi gerealiseerd door gebruik te maken van het elektrische veld in het vlak dat wordt geproduceerd door de STM-punt, dat de basis vormt voor het schrijven op de niet-vluchtige geheugenapparaten.

Ferro-elektriciteit ten opzichte van magnetisme is voordelig vanwege de manipulatie ervan door alleen het elektrische veld. Dit maakt het geschikter om te worden opgenomen in apparaten met geïntegreerde schakelingen. Veel studies hebben aangetoond dat het mogelijk is om andere materiële attributen te manipuleren door ferro-elektriciteit aan deze eigenschappen te koppelen. In BP-Bi bepaalt de knikgraad van de atomaire structuur de ferro-elektrische polarisatie en regelt tegelijkertijd de basisbandstructuur. Dit resulteert in een interlock tussen de elektronische structuur en ferro-elektrische polarisatie. Dit nieuwe type ferro-elektriciteit biedt een veelbelovende manier om de elektronische structuur van materialen te moduleren door een extern elektrisch veld door middel van ferro-elektrische vervorming.

Dr. Jian Gou, de hoofdauteur van het onderzoeksartikel, zei: “Ander onderzoek heeft ook aangetoond dat BP-Bi topologisch niet-triviale toestanden vertoont op een specifieke knikhoogte, wat een mogelijke mogelijkheid suggereert om topologische toestanden af ​​te stemmen via een elektrisch veld.”

In feite hebben de polarisatiekarakteristieken een kritische invloed op de fundamentele optische en elektrische eigenschappen van materialen. De ontdekking van ferro-elektrische polarisatie met één element voegt een nieuw gezichtspunt toe aan de studie van de fundamentele fysische eigenschappen van elementaire stoffen.

Prof Wee zei: “Naast het omverwerpen van het gezond verstand dat ionische polarisatie alleen in verbindingen bestaat, geloven we dat ferro-elektriciteit met één element in BP-Bi een nieuw perspectief zou introduceren voor de studie en het ontwerp van nieuwe ferro-elektrische materialen, en zou inspireren nieuwe fysica van elementaire materialen in de toekomst.”