När två monolager av WTe2 staplas i ett dubbellager, en spontan elektrisk polarisering dyker upp, ett lager blir positivt laddat och det andra negativt laddat. Denna polarisering kan vändas genom att applicera ett elektriskt fält. Upphovsman:Joshua Kahn
Allmänheten kan tänka sig 2000 -talet som en tid med revolutionära tekniska plattformar, som smartphones eller sociala medier. Men för många forskare, detta århundrade är eran för en annan typ av plattform:tvådimensionella material, och deras oväntade hemligheter.
Dessa 2-D-material kan framställas i kristallina ark så tunna som ett enda skikt, bara en eller några atomer tjocka. Inom ett monoskikt, elektroner är begränsade i hur de kan röra sig:Som bitar på ett brädspel, de kan röra sig fram och tillbaka, sida till sida eller diagonalt – men inte upp eller ner. Denna begränsning gör monoskikt funktionellt tvådimensionella.
2-D-riket avslöjar egenskaper som förutses av kvantmekanik-de sannolikhetsvågbaserade reglerna som ligger till grund för all materiens beteende. Sedan grafen - det första monoskiktet - debuterade 2004, Forskare har isolerat många andra 2D-material och visat att de har unika fysikaliska och kemiska egenskaper som skulle kunna revolutionera datorer och telekommunikation, bland andra områden.
För ett team ledd av forskare vid University of Washington, 2-D-formen av en metallförening-volfram ditellurid, eller WTe 2 - är en mängd kvantavslöjanden. I ett papper publicerat online 23 juli i tidningen Natur , forskare rapporterar sin senaste upptäckt om WTe 2 :Dess 2D-form kan genomgå "ferroelektrisk omkoppling." De fann att när två monoskikt kombineras, det resulterande "dubbelskiktet" utvecklar en spontan elektrisk polarisation. Denna polarisering kan vändas mellan två motsatta tillstånd av ett applicerat elektriskt fält.
"Att hitta ferroelektrisk omkoppling i detta 2-D-material var en fullständig överraskning, "sa seniorförfattaren David Cobden, en UW -professor i fysik. "Vi letade inte efter det, men vi såg konstigt beteende, och efter att ha gjort en hypotes om dess natur utformade vi några experiment som bekräftade det snyggt. "
Material med ferroelektriska egenskaper kan ha applikationer i minneslagring, kondensatorer, RFID -kortteknik och till och med medicinska sensorer.
"Tänk på ferroelektriker som naturens växel, "sa Cobden." Det ferroelektriska materialets polariserade tillstånd innebär att du har en ojämn fördelning av laddningar inom materialet - och när den ferroelektriska omkopplingen sker, avgifterna rör sig kollektivt, snarare som de skulle göra i en artificiell elektronisk omkopplare baserad på transistorer. "
UW -teamet skapade WTe 2 monoskikt från dess 3D-kristallina form, som odlades av medförfattare Jiaqiang Yan vid Oak Ridge National Laboratory och Zhiying Zhao vid University of Tennessee, Knoxville. Sedan UW -laget, arbetar i en syrefri isoleringslåda för att förhindra WTe 2 från förnedring, använde Scotch Tape för att exfoliera tunna ark WTe 2 från kristallen-en teknik som ofta används för att isolera grafen och andra 2-D-material. Med dessa ark isolerade, de kunde mäta sina fysikaliska och kemiska egenskaper, vilket ledde till upptäckten av de ferroelektriska egenskaperna.
WTe 2 är det första exfolierade 2D-materialet som är känt för att genomgå ferroelektrisk omkoppling. Innan denna upptäckt, forskare hade bara sett ferroelektrisk koppling i elektriska isolatorer. Men WTe 2 är inte en elektrisk isolator; det är faktiskt en metall, om än inte särskilt bra. WTe 2 upprätthåller också den ferroelektriska omkopplingen vid rumstemperatur, och dess växling är pålitlig och försämras inte med tiden, till skillnad från många konventionella 3-D ferroelektriska material, enligt Cobden. Dessa egenskaper kan göra WTe 2 ett lovande material för mindre, mer robusta tekniska tillämpningar än andra ferroelektriska föreningar.
"Den unika kombinationen av fysiska egenskaper som vi såg i WTe 2 är en påminnelse om att alla möjliga nya fenomen kan observeras i 2-D-material, sa Cobden.
Ferroelektrisk byte är den andra stora upptäckten Cobden och hans team har gjort om monoskikt WTe 2 . I en tidning från 2017 i Naturfysik , laget rapporterade att detta material också är en "topologisk isolator, "det första 2-D-materialet med denna exotiska egenskap.
I en topologisk isolator, elektronernas vågfunktioner – matematiska sammanfattningar av deras kvantmekaniska tillstånd – har en slags inbyggd twist. Tack vare svårigheten att ta bort denna twist, topologiska isolatorer kan ha tillämpningar inom kvantberäkning-ett fält som försöker utnyttja de kvantmekaniska egenskaperna hos elektroner, atomer eller kristaller för att generera datorkraft som är exponentiellt snabbare än dagens teknik. UW -teamets upptäckt härrörde också från teorier som utvecklats av David J. Thouless, en UW-professor emeritus i fysik som delade Nobelpriset i fysik 2016 delvis för sitt arbete med topologi inom 2-D-riket.
Cobden och hans kollegor planerar att fortsätta utforska monoskikt WTe 2 för att se vad de kan lära sig mer.
"Allt vi har mätt hittills om WTe 2 har en överraskning i sig, "sa Cobden." Det är spännande att tänka på vad vi kan hitta härnäst. "
