科技快讯丨二维金属也能具有铁电特性？- 大数跨境

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科技快讯丨二维金属也能具有铁电特性？

两江科技评论

2018-07-30

导读：美国华盛顿大学西雅图分校David H. Cobden教授，及华盛顿大学徐晓东副教授、美国橡树岭国家实验室Jiaqiang Yan助理教授，首次成功验证了WTe2拓扑半金属二维材料在室温下的铁电极化反

导读

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近日，来自美国华盛顿大学西雅图分校的David H. Cobden教授（通讯作者），以及华盛顿大学材料科学与工程系徐晓东副教授、美国橡树岭国家实验室Jiaqiang Yan助理教授，首次成功验证了碲化钨（WTe₂）拓扑半金属二维材料在室温下的铁电极化反转能力，并在多种二维材料中都展现出了良好的兼容性和鲁棒性。该研究结果以“Ferroelectric switching of a two-dimensional metal”为题发表在2018年7月23日的《Nature》杂志上。

注：本文的第一作者为Zaiyao Fei（David H. Cobden教授的研究生）

背景介绍

铁电体是一类重要的极性介电体材料，在一定温度范围内可以自发极化，并且极化方向在外加电场作用下可以发生反转（切换）；与此同时，铁电体还具有压电、热释电、铁电以及电光效应、声光效应、光折变效应和非线性光学效应等众多优良特性。然而，就目前而言，如何实现自发极化的快速反转，是铁电材料研究仍待解决的一个重要问题。

当材料的厚度变薄，直至成为单层二维材料时，它们的性质也往往随之发生根本性的变化——例如，二维的石墨烯会变成二维狄拉克金属材料， MoS₂会从间接带隙半导体变为直接带隙半导体（direct-gap semiconductor）， CrI₃则会在反铁磁性和铁磁性之间发生转变。二维碲化钨（WTe₂）是一种比较有代表性的拓扑半金属（Topological Semimetal）材料，单层WTe₂在低温下可转变成二维拓扑绝缘体或超导体。目前，人们发现多种铁电绝缘体都能在超薄的膜结构中保持它们的铁电特性，但是在单原子层的理论极限下，非铁电的金属材料有没有可能展现为良好的铁电特性呢？

创新及结论

铁电材料是因极性离子间的静电作用力而产生的极性电场，并可以通过施加电场来改变这种极性特征。然而，在具有极性晶体结构的金属中，自由移动的电子（itinerant electrons）阻碍了来自离子间的静电相互作用力（这也是铁电金属稀少的原因之一），同时也阻挡了外部电场的穿透作用，从而丧失了铁电性的切换能力。然而，从理论上看，只要极性金属足够薄，这种自由电子的屏蔽作用得以减弱，导致其铁电极性是完全可以展现出来，并可以被外部电场充分穿透而发生极性反转的。

为了验证这一理论，研究人员利用拓扑半金属材料WTe₂做了相关的实验验证，证实了拓扑半金属WTe₂具有与铁电转变完全相同的结构相变特性。根据晶体结构，单层WTe₂是中心对称（非极性）的，但其堆积的块状结构却是极性的。因此，研究人员构建了多层堆叠的块状结构，当电场上下扫描双层和三层WTe₂器件时，发现了铁电转换行为，且该极化过程可以通过栅电极进行调制。同时，在垂直电场等于零的附近，WTe₂器件的电导出现了双稳态——这是在所有温度下的单层WTe₂中都从未被观察的，因为单层的WTe₂具有对称中心、理论上来说是非极性的结构。

此外，在本项研究过程中，研究人员使用石墨烯作为电场传感器，对两层或三层堆积的WTe₂进行了直接检测和量化极化，并通过改变载流子浓度、依据电导率对极化态进行了划分。实验结果表明，在350K以上，随着温度的升高，其极化作用会逐渐减弱，但是“石墨烯—WTe₂—石墨烯”三明治结构在室温下仍可保持极化转换的能力，说明WTe₂与多种二维材料都具有良好的兼容性和鲁棒性。