Dois

Nature volume 617, páginas 67–72 (2023)Cite este artigo

21 mil acessos

4 citações

121 Altmétrico

Detalhes das métricas

Os materiais ferroelétricos são fascinantes por suas polarizações elétricas comutáveis ​​​​não voláteis induzidas pela quebra espontânea de inversão-simetria. No entanto, em todos os compostos ferroelétricos convencionais, são necessários pelo menos dois íons constituintes para suportar a mudança de polarização . Aqui, relatamos a observação de um estado ferroelétrico de elemento único em uma camada de bismuto semelhante ao fósforo preto, na qual a transferência ordenada de carga e a distorção regular do átomo entre sub-redes acontecem simultaneamente. Em vez de uma configuração orbital homogênea que normalmente ocorre em substâncias elementares, descobrimos que os átomos Bi em uma monocamada Bi semelhante ao fósforo preto mantêm uma hibridização orbital sp fraca e anisotrópica, dando origem à estrutura curvada quebrada por simetria de inversão acompanhada de redistribuição de carga na célula unitária. Como resultado, a polarização elétrica no plano emerge na monocamada Bi. Usando o campo elétrico no plano produzido pela microscopia de varredura por sonda, a comutação ferroelétrica é ainda visualizada experimentalmente. Devido ao bloqueio conjugativo entre a transferência de carga e o deslocamento do átomo, observamos também o perfil anômalo do potencial elétrico na parede do domínio cauda a cauda de 180° induzido pela competição entre a estrutura eletrônica e a polarização elétrica. Esta emergente ferroeletricidade de elemento único amplia o mecanismo da ferroelétrica e pode enriquecer as aplicações da ferroeletrônica no futuro.

Os ferroelétricos são bem conhecidos por suas aplicações em memórias não voláteis4 e sensores elétricos5, e suas aplicações foram estendidas às áreas de ferroelétrico fotovoltaico para a coleta eficiente de energia renovável6 e dispositivos sinápticos para a poderosa computação neuromórfica7. Recentemente, a pesquisa em ferroelétricos foi expandida para os limites bidimensionais (2D) com desempenho distinto , incluindo ferroelétricos de perovskita na espessura da célula unitária , ferroelétricos de camada única com no plano ou fora do plano polarização13,14 e ferroelétricos moiré 2D pelo empilhamento de van der Waals15,16.

Normalmente, os materiais ferroelétricos são compostos que consistem em dois ou mais elementos constituintes diferentes1,2. A redistribuição de elétrons durante a formação da ligação química renormaliza instantaneamente os orbitais de valência e produz os centros de ânions e cátions. Distorção relativa adicional, deslizamento ou transferência de carga entre os centros de carga positiva e negativa em uma célula unitária produz o ordenamento de dipolos elétricos para sustentar a ferroeletricidade . Por outro lado, como os átomos em uma célula unitária de uma substância elementar são idênticos, o dipolo elétrico ordenado ou mesmo a polarização ferroelétrica parecem difíceis de se formar espontaneamente. A realização da ferroeletricidade de elemento único também carece de demonstração experimental até o momento. No entanto, elementos situados entre metais e isolantes na tabela periódica mostram habilidades de ligação flexíveis para adotar vários estados em um sistema, como os átomos de Sn na estrutura em favo de mel 2D Sn2Bi mostram estados binários . Mesmo no boro elementar, descobriu-se que a ionicidade com transferência de carga entre sub-redes surge das diferentes configurações de ligação em cada sub-rede (B12 e B2) . O equilíbrio sutil entre os estados metálico e isolante nesses elementos é fácil de mudar pelos diferentes ambientes da sub-rede, de modo que ambos os estados possam ser realizados simultaneamente em uma célula unitária, proporcionando possibilidades de produção de cátions e ânions em uma célula unitária para alcançar ferroeletricidade em células unitárias. materiais dos elementos. Recentemente, alguns trabalhos teóricos foram dedicados à exploração da polaridade de elemento único ou ferroeletricidade em Si elementar (ref. 23), P (ref. 24,25), As (ref. 25), Sb (ref. 25,26), Te (ref. 27) e Bi (ref. 25,26). Em particular, Xiao et al. previu que a família de materiais de elemento único do grupo V em uma forma 2D van der Waals, isto é, a monocamada As, Sb e Bi na estrutura anisotrópica da fase α, tem um estado fundamental não centrossimétrico para suportar ambos os cátions e ânions em uma célula unitária e produzem polarização ferroelétrica no plano ao longo da direção poltrona.