(資料圖片)
鐵電性是指在某些材料中表現(xiàn)出的一種自發(fā)電極化現(xiàn)象。這種極化可以通過施加外部電場(chǎng)進(jìn)行翻轉(zhuǎn)操作。由于鐵電相可以受電場(chǎng)控制，在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值而備受關(guān)注。此外，鐵電材料的壓電、熱電和非線性光學(xué)特性在新能源、微電子和光學(xué)器件等領(lǐng)域也得到廣泛開發(fā)。近年來，二維鐵電材料作為神經(jīng)形態(tài)突觸器件領(lǐng)域的新型競(jìng)爭(zhēng)者嶄露頭角，展示了二維材料低維度的優(yōu)勢(shì)。鐵電材料通常由兩種或多種不同元素的原子構(gòu)成，元素之間的電子得失促成晶體中正離子和負(fù)離子的形成，而晶格的畸變或電荷有序化導(dǎo)致中心對(duì)稱性破缺，從而使電子重新分布產(chǎn)生正負(fù)電荷中心分離，導(dǎo)致電偶極子的出現(xiàn)，促進(jìn)了鐵電極化的形成。在傳統(tǒng)認(rèn)知中，單質(zhì)由于原子的同質(zhì)性似乎難以產(chǎn)生鐵電極化。
中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心表面物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員陳嵐和吳克輝課題組（SF09組）長(zhǎng)期聚焦于單質(zhì)二維材料的生長(zhǎng)和物性調(diào)控，特別在硅烯和硼烯方面獲得了一系列國(guó)際領(lǐng)先的研究成果。近日，課題組與新加坡國(guó)立大學(xué)物理系教授Andrew Wee和博士茍?。ㄔ璖F09組博士研究生）以及浙江大學(xué)物理學(xué)院教授陸赟豪理論課題組合作，在類黑磷結(jié)構(gòu)的二維鉍（BP-Bi）中發(fā)現(xiàn)了全新的單質(zhì)鐵電態(tài)，打破了關(guān)于鐵電性的傳統(tǒng)認(rèn)知。
科研人員在具有石墨表面上生長(zhǎng)制備了高質(zhì)量的單層BP-Bi樣品，由于石墨表面與BP-Bi之間為較弱的范德華相互作用，使得BP-Bi能保持本征特性，便于后續(xù)原子級(jí)物性表征和調(diào)控。研究利用qPlus原子力顯微鏡對(duì)BP-Bi進(jìn)行實(shí)空間成像，并結(jié)合開爾文探針顯微鏡（KPFM）測(cè)量，分別確定了BP-Bi的翹曲原子構(gòu)型以及子晶格之間的電荷重整化，因而證實(shí)了單層BP-Bi存在面內(nèi)有序電偶極矩排列。結(jié)合理論計(jì)算，研究發(fā)現(xiàn)，BP-Bi的原子結(jié)構(gòu)翹曲程度決定鐵電極化，并影響材料的基本能帶結(jié)構(gòu)，從而在BP-Bi中造就了電子結(jié)構(gòu)和鐵電極化之間相互鎖定的奇異現(xiàn)象。這種新型鐵電性的發(fā)現(xiàn)為利用外電場(chǎng)調(diào)控鐵電畸變對(duì)材料的其他新奇性質(zhì)進(jìn)行調(diào)控提供了可能。進(jìn)一步，研究利用掃描探針產(chǎn)生的面內(nèi)電場(chǎng)對(duì)BP-Bi的電極化進(jìn)行了翻轉(zhuǎn)操作，這正是非易失性存儲(chǔ)器件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)寫入的功能基礎(chǔ)。
該工作首次在實(shí)驗(yàn)中展示了二維鉍結(jié)構(gòu)中的單質(zhì)離子性、單質(zhì)面內(nèi)極化和單質(zhì)鐵電性，改變了離子極化僅存在于帶有陽離子和陰離子化合物中的傳統(tǒng)觀念，并拓展了未來鐵電材料的研究范圍。單質(zhì)鐵電極化的發(fā)現(xiàn)為單質(zhì)材料的基本物性研究添加了新的切入角度，為新型鐵電材料的研究和設(shè)計(jì)提供了新視角，并啟發(fā)未來單質(zhì)材料中新物理的發(fā)現(xiàn)和研究。
相關(guān)研究成果以Two-dimensional ferroelectricity in a single-element bismuth monolayer為題，發(fā)表在《自然》（Nature）上。研究工作得到新加坡國(guó)家研究基金、國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)、浙江省自然科學(xué)基金和中科院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團(tuán)隊(duì)計(jì)劃的支持。
標(biāo)簽：
