在基本物质中发现铁电性

新加坡国立大学(NUS)的物理学家在单元素铋单层中发现了一种新型的铁电形式，可以产生规则和可逆的偶极矩，用于非易失性存储器和电子传感器的未来应用。

铁电性是指某些材料表现出自发极化的现象，这种极化可以通过施加外部电场来逆转。铁电材料的特点是晶体结构缺乏对称中心。

由于在数据存储方面的潜在应用，铁电材料引起了广泛的研究关注。此外，它们的压电、热电和非线性光学特性已在可再生能源、微机电系统和光学器件等研究领域得到了广泛的研究。

近年来，二维(2D)铁电材料已成为神经形态突触器件领域的新竞争者，显示出低维的优势。然而，由于可用材料数量少，二维铁电材料的发展仍然受到限制。

铁电性通常发生在由多种组成元素组成的化合物中，其中成分之间电子的增益和损失促进了晶体中正负离子的形成。亚晶格之间的规则原子畸变或电荷顺序导致中心对称性的破坏，从而促进铁电极化的形成。

近日，由新加坡国立大学理学院物理系Andrew Wee教授领导的研究团队，突破性地发现了二维黑磷类铋(BP-Bi)中单元素铁电态，颠覆了上述对铁电的传统理解。

通过使用优化的扫描隧道显微镜(STM)和非接触式原子力显微镜(nc-AFM)技术，研究人员对BP-Bi中原子结构和亚晶格之间的电荷转移的中心对称性破坏进行了详细观察。首次在铋单层中实验证明了单元素电离性、单元素面内极化和单元素铁电性。这一发现改变了离子极化只存在于有阳离子和阴离子的化合物中的观念，扩大了未来铁电性发展的范围。

这项工作是与中国科学院物理研究所的陈兰教授和浙江大学物理学院的卢云浩教授合作进行的。研究结果于5年2023月<>日发表在《自然》杂志上。

研究人员在范德华石墨表面上制备了高质量的BP-Bi，使单层BP-Bi完好无损且足够平坦以进行测量。利用nc-AFM的高空间分辨率，通过AFM成像和开尔文探针显微镜(KPFM)测量确定了BP-Bi的屈曲原子构型(Dh≠0)以及两个亚晶格之间的电荷再分布。此后，在BP-Bi单层中确认了规则的面内偶极子排列。相比之下，单层磷(磷烯)在每个子层中都没有屈曲，因此它是中心对称和非极化的。然后，利用STM尖端产生的面内电场实现BP-Bi的极化切换，这是在非易失性存储器器件上写入的基础。

相对于磁性的铁电性对于仅由电场操纵是有利的。这使得它更适合包含在集成电路器件中。许多研究发现，通过将铁电性与这些特性耦合，可以操纵其他材料属性。在BP-Bi中，原子结构的屈曲程度决定了铁电极化，同时控制着基本能带结构。这导致电子结构和铁电极化之间的互锁。这种新型铁电提供了一种有前途的方法，通过铁电失真通过外部电场来调节材料的电子结构。

该研究论文的第一作者Jian Gou博士说：“其他研究也表明，BP-Bi在特定屈曲高度表现出拓扑非平凡状态，这表明通过电场调整拓扑状态的潜在机会。

事实上，偏振特性对材料的基本光学和电学性能有着至关重要的影响。单元素铁电极化的发现，为研究基本物质的基本物理性质增添了新的视角。

黬教授说：「除了推翻离子极化只存在于化合物中的常识性观点外，我们相信BP-Bi中的单元素铁电性将为新型铁电材料的研究和设计带来新的视角，并在未来启发元素材料的新物理学。

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