Два

Nature, том 617, страницы 67–72 (2023 г.) Процитировать эту статью

21 тыс. доступов

4 цитаты

121 Альтметрика

Подробности о метриках

Сегнетоэлектрики интересны своей энергонезависимой переключаемой электрической поляризацией, вызванной спонтанным нарушением инверсионной симметрии. Однако во всех обычных сегнетоэлектрических соединениях для поддержания переключения поляризации требуются как минимум два составляющих иона1,2. В настоящей работе мы сообщаем о наблюдении одноэлементного сегнетоэлектрического состояния в черном фосфороподобном слое висмута3, в котором упорядоченный перенос заряда и регулярное искажение атомов между подрешетками происходят одновременно. Вместо однородной орбитальной конфигурации, которая обычно встречается в элементарных веществах, мы обнаружили, что атомы Bi в черном фосфороподобном монослое Bi поддерживают слабую и анизотропную sp-орбитальную гибридизацию, приводящую к образованию изогнутой структуры с нарушением инверсной симметрии, сопровождающейся перераспределением заряда. в элементарной ячейке. В результате в монослое Bi возникает плоскостная электрическая поляризация. Используя плоскостное электрическое поле, создаваемое с помощью сканирующей зондовой микроскопии, сегнетоэлектрическое переключение дополнительно визуализируется экспериментально. Из-за сопряжения между переносом заряда и смещением атома мы также наблюдаем аномальный профиль электрического потенциала на доменной границе 180° «хвост к хвосту», вызванный конкуренцией между электронной структурой и электрической поляризацией. Это возникающее одноэлементное сегнетоэлектричество расширяет механизм сегнетоэлектриков и может обогатить применение сегнетоэлектроники в будущем.

Сегнетоэлектрики хорошо известны благодаря своим применениям в энергонезависимой памяти4 и электрических датчиках5, а их применение распространилось на области сегнетоэлектрических фотоэлектрических систем для эффективного сбора возобновляемой энергии6 и синаптических устройств для мощных нейроморфных вычислений7. Недавно исследования сегнетоэлектриков были расширены до двумерных (2D) пределов с отличными характеристиками8,9,10, включая перовскитные сегнетоэлектрики с толщиной элементарной ячейки11,12, однослойные сегнетоэлектрики с плоскостными или внеплоскостными поляризация13,14 и двумерные муаровые сегнетоэлектрики путем укладки Ван-дер-Ваальса15,16.

Обычно сегнетоэлектрики представляют собой соединения, состоящие из двух или более различных составляющих элементов1,2. Перераспределение электронов при образовании химической связи мгновенно перенормирует валентные орбитали и образует анионные и катионные центры. Дальнейшее относительное искажение, скольжение или перенос заряда между положительными и отрицательными центрами заряда в элементарной ячейке приводит к упорядочению электрических диполей для поддержания сегнетоэлектричества17,18,19. Напротив, поскольку атомы в элементарной ячейке элементарного вещества идентичны, упорядоченную электрическую дипольную или даже сегнетоэлектрическую поляризацию, по-видимому, трудно сформировать спонтанно. Реализация одноэлементного сегнетоэлектричества также пока не имеет экспериментальной демонстрации. Тем не менее, элементы, расположенные между металлами и изоляторами в периодической таблице, демонстрируют гибкую связывающую способность принимать несколько состояний в одной системе, например, атомы Sn в 2D сотовой структуре Sn2Bi демонстрируют бинарные состояния20,21. Было обнаружено, что даже в элементарном боре ионность с межподрешеточным переносом заряда возникает из-за различных конфигураций связей в каждой подрешетке (B12 и B2)22. Тонкий баланс между металлическим и изолирующим состояниями в этих элементах легко сместить из-за различных подрешеточных сред, так что оба состояния могут быть реализованы одновременно в элементарной ячейке, что дает возможность производить катионы и анионы в элементарной ячейке для достижения сегнетоэлектричества в одинарной ячейке. материалы элементов. В последнее время некоторые теоретические работы были посвящены изучению одноэлементной полярности или сегнетоэлектричества в элементарных Si (ссылки 23), P (ссылки 24,25), As (ссылки 25), Sb (ссылки 25,26), Те (ссылка 27) и Би (ссылка 25,26). В частности, Сяо и др. предсказал, что семейство одноэлементных материалов группы V в двумерной форме Ван-дер-Ваальса28, то есть монослой As, Sb и Bi в анизотропной структуре α-фазы, имеет нецентросимметричное основное состояние, поддерживающее как катионы, так и анионы в элементарной ячейке и создают плоскую сегнетоэлектрическую поляризацию вдоль направления кресла.