Des physiciens de l’Université nationale de Singapour (NUS) ont découvert une nouvelle forme de ferroélectricité dans une monocouche de bismuth à un seul élément qui peut produire des times dipolaires réguliers et réversibles pour de futures apps de mémoires non volatiles et de capteurs électroniques.
La ferroélectricité fait référence au phénomène de certains matériaux présentant une polarisation électrique spontanée qui peut être inversée en appliquant un champ électrique externe. Les matériaux ferroélectriques sont caractérisés par une composition cristalline dépourvue de centre de symétrie.
En raison des purposes potentielles pour le stockage de données, les matériaux ferroélectriques ont attiré l’attention de la recherche. En outre, leurs propriétés optiques piézoélectriques, thermoélectriques et non linéaires ont été largement étudiées dans des domaines de recherche tels que les énergies renouvelables, les systèmes micro-électro-mécaniques et les dispositifs optiques. Ces dernières années, les matériaux ferroélectriques bidimensionnels (2D) sont apparus comme un nouveau concurrent dans le domaine des dispositifs de synapse neuromorphique, affichant l’avantage d’une faible dimensionnalité. Cependant, le développement de matériaux ferroélectriques 2D est encore limité en raison du faible nombre de matériaux disponibles.
La ferroélectricité se produit généralement dans des composés composés de plusieurs éléments constitutifs, où le gain et la perte d’électrons entre les constituants favorisent la formation d’ions positifs et négatifs dans le cristal. La distorsion régulière des atomes ou l’ordre de cost entre les sous-réseaux conduit à la rupture de la symétrie centrale, favorisant ainsi la development d’une polarisation ferroélectrique.
Récemment, une équipe de recherche dirigée par le professeur Andrew WEE du Département de physique de la Faculté des sciences de la NUS, a fait une découverte révolutionnaire de l’état ferroélectrique à un seul élément dans le bismuth de type phosphore noir 2D (BP-Bi), renversant la compréhension traditionnelle. de ferroélectricité mentionné ci-dessus. En utilisant des procedures optimisées de microscopie à effet tunnel (STM) et de microscopie à drive atomique sans get in touch with (nc-AFM), les chercheurs ont fait une observation détaillée de la rupture de centrosymétrie sur la framework atomique et du transfert de cost entre les sous-réseaux dans BP-Bi. Pour la première fois, l’ionicité à un seul élément, la polarisation dans le system à un seul élément et la ferroélectricité à un seul élément ont toutes été démontrées expérimentalement dans la monocouche de bismuth. Cette découverte transform le concept selon lequel la polarisation ionique n’existe que dans les composés avec des cations et des anions, et élargit la portée du développement de la ferroélectricité à l’avenir. Ce travail est entrepris en collaboration avec le professeur Lan CHEN de l’Institut de physique de l’Académie chinoise des sciences et le professeur Yunhao LU de l’École de physique de l’Université du Zhejiang. Les résultats ont été publiés dans Character le 5 avril 2023.
Les chercheurs ont préparé le BP-Bi de haute qualité sur la floor en graphite Van der Waals afin que la monocouche BP-Bi soit intacte et suffisamment plate pour les mesures. Profitant de la haute résolution spatiale de nc-AFM, la configuration atomique de flambage (Dh≥0) de BP-Bi, ainsi que la redistribution de charge entre les deux sous-réseaux ont été déterminées par imagerie AFM et mesures de microscopie à sonde Kelvin (KPFM). Par la suite, un arrangement dipolaire régulier dans le plan est confirmé dans la monocouche BP-Bi. En comparaison, le phosphore monocouche (phosphorène) n’a pas de flambage dans chaque sous-couche – il est donc centrosymétrique et non polarisé. Ensuite, la commutation de polarisation de BP-Bi est réalisée en utilisant le champ électrique dans le approach produit par la pointe STM, qui est la base de l’écriture sur les dispositifs de mémoire non volatile.
La ferroélectricité par rapport au magnétisme est avantageuse pour sa manipulation par le seul champ électrique. Cela le rend plus apte à être contenu dans des dispositifs à circuits intégrés. De nombreuses études ont montré qu’il est achievable de manipuler d’autres attributs matériels en couplant la ferroélectricité à ces propriétés. Dans BP-Bi, le degré de flambement de la framework atomique détermine la polarisation ferroélectrique et, en même temps, contrôle la structure de bande de foundation. Il en résulte un verrouillage entre la framework électronique et la polarisation ferroélectrique. Ce nouveau variety de ferroélectricité offre une voie prometteuse pour moduler la structure électronique des matériaux par un champ électrique externe par distorsion ferroélectrique.
Le Dr Jian GOU, l’auteur principal de l’article de recherche, a déclaré : « D’autres recherches ont également montré que le BP-Bi présente des états topologiquement non triviaux à une hauteur de flambement spécifique, suggérant une opportunité potentielle pour régler les états topologiques à travers un champ électrique.
En fait, les caractéristiques de polarisation ont un affect critique sur les propriétés optiques et électriques de foundation des matériaux. La découverte de la polarisation ferroélectrique à un seul élément ajoute un nouveau stage de vue à l’étude des propriétés physiques de base des substances élémentaires.
Le professeur Wee a déclaré : “En plus de renverser l’idée de bon sens selon laquelle la polarisation ionique n’existe que dans les composés, nous pensons que la ferroélectricité à un seul élément dans BP-Bi introduirait une nouvelle perspective pour l’étude et la conception de nouveaux matériaux ferroélectriques, et inspirer nouvelle physique des matériaux élémentaires dans le futur.”