Исследование представляет собой первый пример самородного металла с бистабильными и электрически переключаемыми состояниями спонтанной поляризации – отличительной чертой сегнетоэлектричества.
«Мы обнаружили сосуществование естественной металличности и сегнетоэлектричества в массивном кристаллическом дителлуриде вольфрама (WTe2) при комнатной температуре», – поясняет автор исследования доктор Панкадж Шарма.
«Мы продемонстрировали, что сегнетоэлектрическое состояние может переключаться под действием внешнего электрического смещения, и объяснили механизм« металлического сегнетоэлектричества »в WTe2 посредством систематического исследования кристаллической структуры, измерений электронного переноса и теоретических соображений."
«Ван-дер-Ваальсовский материал, который является одновременно металлическим и сегнетоэлектрическим в своей объемной кристаллической форме при комнатной температуре, имеет потенциал для новых применений наноэлектроники», – говорит автор доктор Фэйксианг Сян.
ФЕРРОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ФОН
Сегнетоэлектричество можно считать аналогом ферромагнетизма. Ферромагнитный материал демонстрирует постоянный магнетизм, и, с точки зрения непрофессионала, это просто «магнит» с северным и южным полюсами. Сегнетоэлектрический материал также демонстрирует аналогичное электрическое свойство, называемое постоянной электрической поляризацией, которое возникает из-за электрических диполей, состоящих из равных, но противоположно заряженных концов или полюсов.
В сегнетоэлектрических материалах эти электрические диполи существуют на уровне элементарной ячейки и создают ненулевой постоянный электрический дипольный момент.
Этот спонтанный электрический дипольный момент может многократно переходить между двумя или более эквивалентными состояниями или направлениями при приложении внешнего электрического поля – свойство, используемое во многих сегнетоэлектрических технологиях, например, наноэлектронная компьютерная память, карты RFID, медицинские ультразвуковые преобразователи, инфракрасные камеры, подводный гидролокатор, датчики вибрации и давления, а также прецизионные приводы.
Обычно сегнетоэлектричество наблюдается в изолирующих или полупроводниковых материалах, а не в металлических, поскольку электроны проводимости в металлах экранируют статические внутренние поля, возникающие из-за дипольного момента.
ИЗУЧЕНИЕ
В июле 2019 года в журнале Science Advances был опубликован сегнетоэлектрический полуметалл, работающий при комнатной температуре.
Объемный монокристаллический дителлурид вольфрама (WTe2), который принадлежит к классу материалов, известных как дихалькогениды переходных металлов (TMDC), был исследован с помощью спектроскопических измерений электрического переноса, проводящей атомно-силовой микроскопии (c-AFM), чтобы подтвердить его металлическое поведение. и с помощью силовой микроскопии пьезоотклика (PFM) для картирования поляризации, обнаружения деформации решетки из-за приложенного электрического поля.
Сегнетоэлектрические домены, т.е. области с противоположно ориентированным направлением поляризации, были непосредственно визуализированы в свежесколотых монокристаллах WTe2.
Измерения спектроскопической ЧИМ с верхним электродом в конденсаторной геометрии использовались для демонстрации переключения сегнетоэлектрической поляризации.
Исследование проводилось при финансовой поддержке Австралийского исследовательского совета через Центр передового опыта ARC в области технологий будущей низкоэнергетической электроники (FLEET), и работа была выполнена частично с использованием средств узлов NSW Австралийского национального производственного предприятия. помощь в рамках программы стипендий Австралийской государственной исследовательской программы.
Расчеты теории функционала плотности из первых принципов (DFT) (Университет Небраски) подтвердили экспериментальные данные об электронных и структурных источниках сегнетоэлектрической нестабильности WTe2, при поддержке Национального научного фонда.
ФЕРРОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НА ФЛОТЕ
Сегнетоэлектрические материалы внимательно изучаются в FLEET (Центр передового опыта ARC в области технологий будущей низкоэнергетической электроники) на предмет их потенциального использования в низкоэнергетической электронике, помимо технологии CMOS.
Переключаемый электрический дипольный момент сегнетоэлектрических материалов может, например, использоваться в качестве затвора для лежащей в основе 2D электронной системы в искусственном топологическом изоляторе.
По сравнению с обычными полупроводниками, очень близкая (субнанометровая) близость электронного дипольного момента сегнетоэлектрика к электронному газу в атомном кристалле обеспечивает более эффективное переключение, преодолевая ограничения обычных полупроводников, где проводящий канал скрыт на десятки нанометров ниже поверхность.
Топологические материалы исследуются в рамках исследовательской темы 1 FLEET, целью которой является создание электронных трактов со сверхнизким сопротивлением, с помощью которых можно создать новое поколение электроники со сверхнизким энергопотреблением.
FLEET – это исследовательский центр, финансируемый ARC, объединяющий более сотни австралийских и международных экспертов для разработки нового поколения электроники со сверхнизким энергопотреблением, мотивированный необходимостью снизить потребление энергии компьютерами.