На рисунке (A) показана шарико-стержневая модель черного фосфороподобного висмута (BP-Bi) с видом сверху (верхняя панель) и видом сбоку (нижняя панель). В отличие от черного фосфора, BP-Bi имеет ненулевой коэффициент потери устойчивости Δh. Рисунок (B) и (C) показывают типичное изображение бесконтактной атомно-силовой микроскопии (nc-AFM) и карту зондовой микроскопии Кельвина (KPFM) в одном и том же месте соответственно. Рисунок (D) представляет движение доменных стенок, обнаруженное с помощью nc-AFM при выполнении переключения поляризации. Верхняя и нижняя половины представляют собой изображения, полученные после сканирования в прямом и обратном направлении соответственно. Рисунок (E) представляет собой зависимость тока от высоты наконечника во время развертки смещения. Кредит: Природа (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-05848-5

Сегнетоэлектричество относится к явлению некоторых материалов, проявляющих спонтанную электрическую поляризацию, которую можно обратить, приложив внешнее электрическое поле. Сегнетоэлектрические материалы характеризуются кристаллической структурой, в которой отсутствует центр симметрии.

Из-за потенциальных применений для хранения данных сегнетоэлектрические материалы привлекли широкое внимание исследователей. Кроме того, их пьезоэлектрические, термоэлектрические и нелинейно-оптические свойства широко изучались в таких областях исследований, как возобновляемые источники энергии, микроэлектромеханические системы и оптические устройства.

В последние годы двумерные (2D) сегнетоэлектрические материалы стали новым претендентом в области нейроморфных синаптических устройств, демонстрируя преимущество низкой размерности. Однако разработка двумерных сегнетоэлектрических материалов все еще ограничена из-за небольшого количества доступных материалов.

Сегнетоэлектричество обычно возникает в соединениях, состоящих из нескольких составляющих элементов, где приобретение и потеря электронов между составляющими способствует образованию положительных и отрицательных ионов в кристалле. Регулярное искажение атомов или упорядочение зарядов между подрешетками приводит к нарушению центральной симметрии, что способствует формированию сегнетоэлектрической поляризации.

Недавно исследовательская группа под руководством профессора Эндрю Ви с кафедры физики факультета естественных наук NUS сделала прорывное открытие одноэлементного сегнетоэлектрического состояния в двумерном черном фосфороподобном висмуте (BP-Bi), перевернув традиционное понимание упомянутого выше сегнетоэлектричества.

Используя методы оптимизированной сканирующей туннельной микроскопии (СТМ) и бесконтактной атомно-силовой микроскопии (НК-АСМ), исследователи подробно наблюдали за нарушением центросимметрии атомной структуры и переносом заряда между подрешетками в BP-Bi. Впервые в монослое висмута были экспериментально продемонстрированы одноэлементная ионность, одноэлементная поляризация в плоскости и одноэлементное сегнетоэлектричество. Это открытие меняет представление о том, что ионная поляризация существует только в соединениях с катионами и анионами, и расширяет возможности развития сегнетоэлектричества в будущем.

Эта работа проводится в сотрудничестве с профессором Лань Ченом из Института физики Китайской академии наук и профессором Юньхао Лу из Школы физики Чжэцзянского университета. Результаты были опубликованы в журнале Nature 5 апреля 2023 года.

Исследователи подготовили высококачественный BP-Bi на поверхности графита Ван-дер-Ваальса, чтобы монослой BP-Bi был неповрежденным и достаточно плоским для измерений. Воспользовавшись преимуществами высокого пространственного разрешения нк-АСМ, атомная конфигурация изгиба (D h ≠0) BP-Bi, а также перераспределение заряда между двумя подрешетками были определены с помощью изображений АСМ и измерений с помощью зондовой микроскопии Кельвина (KPFM). . После этого в монослое BP-Bi подтверждается регулярное расположение диполей в плоскости. Для сравнения, однослойный фосфор (фосфорен) не имеет коробления в каждом подслое, поэтому он центросимметричен и неполяризован. Затем осуществляется переключение поляризации БП-Би с помощью плоскостного электрического поля, создаваемого иглой СТМ, что является основой для записи на устройства энергонезависимой памяти.

Сегнетоэлектричество по сравнению с магнетизмом выгодно тем, что им управляет только электрическое поле. Это делает его более подходящим для использования в устройствах с интегральными схемами. Многие исследования показали, что можно манипулировать другими свойствами материала, связывая сегнетоэлектричество с этими свойствами. В BP-Bi степень коробления атомной структуры определяет сегнетоэлектрическую поляризацию и в то же время контролирует основную зонную структуру. Это приводит к блокировке между электронной структурой и сегнетоэлектрической поляризацией. Этот новый тип сегнетоэлектричества предлагает многообещающий способ модуляции электронной структуры материалов внешним электрическим полем посредством сегнетоэлектрических искажений.

Доктор Цзянь Гоу, ведущий автор исследовательской работы, сказал: «Другие исследования также показали, что BP-Bi демонстрирует топологически нетривиальные состояния на определенной высоте изгиба, что предполагает потенциальную возможность настройки топологических состояний с помощью электрического поля».

Фактически поляризационные характеристики оказывают решающее влияние на основные оптические и электрические свойства материалов. Открытие одноэлементной сегнетоэлектрической поляризации вносит новую точку зрения в изучение основных физических свойств элементарных веществ.

Профессор Ви сказал: «В дополнение к опровержению здравого смысла идеи о том, что ионная поляризация существует только в соединениях, мы считаем, что одноэлементное сегнетоэлектричество в BP-Bi откроет новую перспективу в изучении и разработке новых сегнетоэлектрических материалов и вдохновит новая физика элементарных материалов в будущем».