Ferroelektriska domäner i en WTe 2 enkristall (PFM -avbildning). Kredit:FLEET
I en tidning som släpptes idag Vetenskapliga framsteg , Australiska forskare beskriver den första observationen av en inhemsk ferroelektrisk metall:en infödd metall med bistabila och elektriskt omkopplingsbara spontana polariseringstillstånd - kännetecknet för ferroelektricitet. Studien fann samexistens av nativ metallicitet och ferroelektricitet i bulk kristallint volfram ditellurid (WTe 2 ) vid rumstemperatur. Ett van-der-Waals-material som är både metalliskt och ferroelektriskt i sin kristallina bulkform vid rumstemperatur har potential för nano-elektronikapplikationer.
Studien representerar det första exemplet på en infödd metall med bistabila och elektriskt omkopplingsbara spontana polariseringstillstånd - kännetecknet för ferroelektricitet.
"Vi fann samexistens av nativ metallicitet och ferroelektricitet i bulk kristallint volfram ditellurid (WTe 2 ) vid rumstemperatur, "förklarar studieförfattaren Dr Pankaj Sharma.
"Vi visade att det ferroelektriska tillståndet är omkopplingsbart under en extern elektrisk förspänning och förklarar mekanismen för" metallisk ferroelektricitet "i WTe 2 genom en systematisk studie av kristallstrukturen, elektroniska transportmätningar och teoretiska överväganden. "
"Ett van der Waals-material som är både metalliskt och ferroelektriskt i sin bulk kristallina form vid rumstemperatur har potential för nya nano-elektronikapplikationer, "säger författaren Dr Feixiang Xiang.
Ferroelektrisk bakgrund
Ferroelektricitet kan betraktas som en analogi till ferromagnetism. Ett ferromagnetiskt material visar permanent magnetism, och i lekmannens termer, är helt enkelt, en "magnet" med nord- och sydpolen. Ferroelektriskt material visar likaledes en analog elektrisk egenskap som kallas permanent elektrisk polarisering, som härrör från elektriska dipoler bestående av lika, men motsatt laddade ändar eller stolpar. I ferroelektriska material, dessa elektriska dipoler existerar på enhetscellnivå och ger upphov till ett permanent elektriskt dipolmoment som inte försvinner.
Detta spontana elektriska dipolmoment kan upprepade gånger överföras mellan två eller flera likvärdiga tillstånd eller riktningar efter applicering av ett externt elektriskt fält - en egenskap som används i många ferroelektriska tekniker, till exempel nano-elektroniskt datorminne, RFID -kort, medicinska ultraljudsgivare, infraröda kameror, ubåt ekolod, vibrations- och trycksensorer, och precisionsmanöverdon.
Konventionellt, ferroelektricitet har observerats i material som är isolerande eller halvledande snarare än metalliska, eftersom ledningselektroner i metaller skärmar bort de statiska inre fälten som härrör från dipolmomentet.
Modell av volfram ditellurid WTe 2 kristaller i ett lager, ortorhombisk struktur. Kredit:FLEET
Studien
En ferroelektrisk halvmetall vid rumstemperatur publicerades i Vetenskapliga framsteg i juli 2019.
Bulk enkelkristallint volfram ditellurid (WTe 2 ), som tillhör en materialklass som kallas övergångsmetalldikalkogenider (TMDC), undersöktes med spektroskopiska elektriska transportmätningar, konduktiv-atomkraftmikroskopi (c-AFM) för att bekräfta dess metalliska beteende, och genom piezo-respons kraftmikroskopi (PFM) för att kartlägga polarisationen, detektera gitterdeformation på grund av ett applicerat elektriskt fält.
Ferroelektriska domäner - dvs. regionerna med motsatt orienterad polarisationsriktning-visualiserades direkt i nyligen klyvda WTe 2 enstaka kristaller.
Spektroskopisk-PFM-mätningar med toppelektrod i en kondensatorgeometri användes för att demonstrera omkoppling av ferroelektrisk polarisation.
Studien stöddes av finansiering från Australian Research Council genom ARC Center of Excellence in Future Low-Energy Electronics Technologies (FLEET), och arbetet utfördes delvis med hjälp av anläggningar i NSW -noderna i Australian National Fabrication Facility, med bistånd från Australian Government Research Training Program Scholarship -programmet.
Beräkningar av första principer för densitetsfunktionell teori (DFT) (University of Nebraska) bekräftade de experimentella resultaten av det elektroniska och strukturella ursprunget för ferroelektrisk instabilitet hos WTe 2 , stöds av National Science Foundation.
Ferroelektriska studier på FLEET
Ferroelektriska material studeras noggrant vid FLEET (ARC Center of Excellence in Future Low-Energy Electronics Technologies) för deras potentiella användning inom lågenergielektronik, "bortom CMOS" -teknologi.
Det omkopplingsbara elektriska dipolmomentet för ferroelektriska material kan till exempel användas som en grind för det underliggande 2-D-elektronsystemet i en artificiell topologisk isolator.
I jämförelse med konventionella halvledare, den mycket nära (sub-nanometer) närheten av en ferroelektrisk elektrondipolmoment till elektrongasen i atomkristallen säkerställer mer effektiv omkoppling, övervinna begränsningar för konventionella halvledare där den ledande kanalen är begravd tiotals nanometer under ytan.
Topologiska material undersöks inom FLEETs forskningstema 1, som försöker etablera elektroniska banor med mycket lågt motstånd för att skapa en ny generation av ultralåg energi.
