Første observation af naturligt ferroelektrisk metal

I et papir udgivet i dag i Videnskab fremskridt , Australske forskere beskriver den første observation af et native ferroelektrisk metal:et native metal med bistabile og elektrisk omskiftelige spontane polarisationstilstande - kendetegnende for ferroelektricitet. Undersøgelsen fandt sameksistens af native metallicitet og ferroelektricitet i bulk krystallinsk wolfram ditellurid (WTe ₂ ) ved stuetemperatur. Et van-der-Waals-materiale, der er både metallisk og ferroelektrisk i sin krystallinske bulkform ved stuetemperatur, har potentiale til nano-elektronikapplikationer.

Undersøgelsen repræsenterer det første eksempel på et naturligt metal med bistabile og elektrisk omskiftelige spontane polariseringstilstande - kendetegnende for ferroelektricitet.

"Vi fandt sameksistens af nativ metallicitet og ferroelektricitet i krystallinsk bulkstenitellurid (WTe ₂ ) ved stuetemperatur, "forklarer studieforfatter Dr. Pankaj Sharma.

"Vi demonstrerede, at den ferroelektriske tilstand kan skiftes under en ekstern elektrisk forspænding og forklarer mekanismen for 'metallisk ferroelektricitet' i WTe ₂ gennem en systematisk undersøgelse af krystalstrukturen, elektroniske transportmålinger og teoretiske overvejelser."

"Et van der Waals-materiale, der er både metallisk og ferroelektrisk i sin krystallinske bulkform ved stuetemperatur, har potentiale til nye nano-elektroniske applikationer, "siger forfatteren Dr. Feixiang Xiang.

Ferroelektrisk baggrund

Ferroelektricitet kan betragtes som en analogi til ferromagnetisme. Et ferromagnetisk materiale viser permanent magnetisme, og i lægmandssprog, er simpelthen, en 'magnet' med nord- og sydpol. Ferroelektrisk materiale udviser ligeledes en analog elektrisk egenskab kaldet en permanent elektrisk polarisation, som stammer fra elektriske dipoler bestående af lige, men modsat ladede ender eller poler. I ferroelektriske materialer, disse elektriske dipoler eksisterer på enhedscelleniveau og giver anledning til et ikke-forsvindende permanent elektrisk dipolmoment.

Dette spontane elektriske dipolmoment kan gentagne gange overføres mellem to eller flere ækvivalente tilstande eller retninger efter anvendelse af et eksternt elektrisk felt - en egenskab, der anvendes i talrige ferroelektriske teknologier, for eksempel nano-elektronisk computerhukommelse, RFID -kort, medicinske ultralydstransducere, infrarøde kameraer, ubåds ekkolod, vibrations- og tryksensorer, og præcisionsaktuatorer.

Konventionelt, ferroelektricitet er blevet observeret i materialer, der er isolerende eller halvledende snarere end metalliske, fordi ledningselektroner i metaller fraskærer de statiske indre felter, der opstår fra dipolmomentet.

Studiet

Et ferroelektrisk halvmetal ved stuetemperatur blev udgivet i Videnskab fremskridt i juli 2019.

Bulk enkeltkrystallinsk wolframditellurid (WTe ₂ ), som tilhører en klasse af materialer kendt som overgangsmetaldichalcogenider (TMDC'er), blev undersøgt ved spektroskopiske elektriske transportmålinger, ledende atomkraftmikroskopi (c-AFM) for at bekræfte dets metalliske opførsel, og ved piezo-respons kraftmikroskopi (PFM) for at kortlægge polarisationen, detektering af gitterdeformation på grund af et påført elektrisk felt.

Ferroelektriske domæner – dvs. regionerne med modsat orienteret polarisationsretning-blev direkte visualiseret i friskkløvede WTe ₂ enkelte krystaller.

Spektroskopisk-PFM-målinger med topelektrode i en kondensatorgeometri blev brugt til at demonstrere omskiftning af den ferroelektriske polarisering.

Undersøgelsen blev støttet af finansiering fra Australian Research Council gennem ARC Center of Excellence in Future Low-Energy Electronics Technologies (FLEET), og arbejdet blev delvist udført ved hjælp af faciliteter i NSW Nodes of the Australian National Fabrication Facility, med bistand fra Australian Government Research Training Program Scholarship-ordningen.

Første principper densitetsfunktionelle teori (DFT) beregninger (University of Nebraska) bekræftede de eksperimentelle fund af den elektroniske og strukturelle oprindelse af ferroelektrisk ustabilitet af WTe ₂ , støttet af National Science Foundation.

Ferroelektriske studier på FLEET

Ferroelektriske materialer studeres intenst på FLEET (ARC Center of Excellence in Future Low-Energy Electronics Technologies) for deres potentielle anvendelse i lavenergielektronik, 'ud over CMOS' -teknologi.

Det omskiftelige elektriske dipolmoment af ferroelektriske materialer kunne for eksempel bruges som en gate for det underliggende 2-D elektronsystem i en kunstig topologisk isolator.

I sammenligning med konventionelle halvledere, den meget tætte (sub-nanometer) nærhed af et ferroelektrisk elektrondipolmoment til elektrongassen i atomkrystallen sikrer mere effektiv omskiftning, overvinde begrænsninger for konventionelle halvledere, hvor den ledende kanal er begravet titalls nanometer under overfladen.

Topologiske materialer undersøges inden for FLEETs forskningstema 1, som søger at etablere ultra-lav modstand elektroniske stier, hvormed man kan skabe en ny generation af ultra-lav energi elektronik.