首次觀察到:原生鐵電金屬!具有雙穩態和自發極化態

2020-12-13 博科園

首次觀察到：原生鐵電金屬！在2019年7月5日發表在《科學進展》上的研究中，澳大利亞科學家公布了對原生鐵電金屬的首次觀察：一種具有雙穩態和電可切換的自發極化狀態的原生金屬——鐵電特徵。研究發現，在室溫條件下，體晶雙碲化鎢(WTe2)中原生金屬豐度與鐵電性共存。一種金屬和鐵電體材料，在室溫下呈塊狀結晶，具有納米電子應用的潛力。

這項研究代表了第一個具有雙穩態和電可切換的自發極化狀態的原生金屬，這是鐵電的特徵。研究作者Pankaj Sharma博士解釋說：我們發現在室溫下，塊狀晶體雙碲化鎢(WTe2)中原生金屬度和鐵電性共存。通過對WTe2晶體結構、電子輸運測量和理論考慮的系統研究，證明了鐵電狀態在外部電偏置下是可切換的，並解釋了WTe2中『金屬鐵電』的機制。範德瓦爾斯材料是金屬和鐵電體的晶體形式，在室溫下具有新的納米電子應用潛力。

鐵電背景資料

鐵電可以看作是鐵磁性的一個類比，鐵磁性材料表現出永久磁性，用外行人的話說，就是一塊北極和南極的「磁鐵」。鐵電材料同樣表現出一種類似的電性質，稱為永久電極化，它起源於電偶極，由相等但相反的兩端或極組成。在鐵電材料中，這些電偶極子存在於單元級，產生不消失的永久電偶極矩。這種自發電偶極矩可以通過外部電場在兩種或兩種以上等效狀態或方向之間反覆轉換。

這種特性在許多鐵電技術中得到了應用，例如納米電子計算機存儲器、RFID卡、醫用超聲波傳感器、紅外攝像機、潛艇聲納、振動和壓力傳感器以及精密執行器。傳統上，鐵電性被觀察到存在於絕緣材料或半導體材料中，而不是金屬材料中，因為金屬中導電電子屏蔽了由偶極矩引起的靜態內部場。

這項研究

2019年7月，一種室溫鐵電半金屬發表在《科學進展》上。散裝單晶鎢二碲化物（WTe 2）屬於一類稱為過渡金屬二硫化物（TMDCs）的材料，通過光譜電傳輸測量，導電原子力顯微鏡（c-AFM）探測，以確認其金屬行為並且通過壓電響應力顯微鏡（PFM）來繪製偏振圖，檢測由於施加的電場引起的晶格變形。鐵電疇，即極化方向相反的區域，可以在新分裂的WTe2單晶中直接觀察到。

採用電容幾何形狀的頂電極光譜- pfm測量方法，研究了鐵電極化的開關特性。該研究得到澳大利亞研究理事會通過ARC未來低能耗電子技術卓越中心(FLEET)提供的資金支持，部分工作是在澳大利亞政府研究培訓計劃獎學金計劃的協助下，利用澳大利亞國家製造設施新南威爾斯州節點的設施進行。第一原理密度泛函理論(DFT)計算(內布拉斯加大學)證實了由國家科學基金會支持WTe2鐵電不穩定性的電子和結構起源的實驗結果。

鐵電研究

在FLEET (ARC未來低能源電子技術卓越中心)，人們對鐵電材料進行了深入研究，以了解它們在「CMOS」技術之外的低能源電子領域的潛在用途。例如：鐵電材料的可切換電偶極矩，可以用作人工拓撲絕緣體中基礎二維電子系統的柵極。

與傳統半導體相比，鐵電電子偶極矩與原子晶體中電子氣體的距離非常近(亞納米)，這確保了更有效的切換，克服了傳統半導體的局限性，因為傳統半導體的導電通道埋在表面以下幾十納米。拓撲材料是在研究主題1中進行研究的，該主題旨在建立超低阻電子通路，從而創造新一代超低能電子產品。

博科園｜研究/來自：FLEET參考期刊《科學進展》DOI: 10.1126/sciadv.aax5080博科園｜科學、科技、科研、科普

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