Сегнетоэлектричество относится к явлению, при котором некоторые материалы проявляют самопроизвольную электрическую поляризацию, которую можно обратить вспять путем приложения внешнего электрического поля. Сегнетоэлектрические материалы характеризуются кристаллической структурой, в которой отсутствует центр симметрии.

Благодаря потенциальному применению сегнетоэлектрических материалов для хранения данных они привлекли широкое внимание исследователей. Кроме того, их пьезоэлектрические, термоэлектрические и нелинейно-оптические свойства были широко изучены в таких областях исследований, как возобновляемая энергетика, микроэлектромеханические системы и оптические устройства. В последние годы двумерные (2D) сегнетоэлектрические материалы стали новым претендентом в области нейроморфных синапсных устройств, демонстрируя преимущество низкой размерности. Однако разработка двумерных сегнетоэлектрических материалов все еще ограничена из-за небольшого количества доступных материалов.

Сегнетоэлектричество обычно возникает в соединениях, состоящих из множества составляющих элементов, где усиление и потеря электронов между составляющими способствует образованию положительных и отрицательных ионов в кристалле. Регулярное искажение атомов или упорядочение зарядов между подрешетками приводит к нарушению центральной симметрии, способствуя таким образом образованию сегнетоэлектрической поляризации.

Недавно исследовательская группа, возглавляемая профессором Эндрю ВИ с кафедры физики факультета естественных наук NUS, сделала прорывное открытие одноэлементного сегнетоэлектрического состояния в двумерном черном фосфороподобном висмуте (BP-Bi), перевернув традиционное понимание сегнетоэлектричества, упомянутое выше. Используя оптимизированные методы сканирующей туннельной микроскопии (STM) и бесконтактной атомно-силовой микроскопии (nc-AFM), исследователи провели детальное наблюдение нарушения центросимметрии атомной структуры и переноса заряда между подрешетками в BP-Bi. Впервые экспериментально были продемонстрированы одноэлементная ионность, одноэлементная плоскостная поляризация и одноэлементное сегнетоэлектричество в монослое висмута. Это открытие меняет концепцию о том, что ионная поляризация существует только в соединениях с катионами и анионами, и расширяет возможности развития сегнетоэлектричества в будущем. Эта работа выполнена в сотрудничестве с профессором Лан ЧЕНОМ из Института физики Китайской академии наук и профессором Юньхао ЛУ из школы физики Чжэцзянского университета. Результаты были опубликованы в Природа 5 апреля 2023 года.

Исследователи нанесли высококачественный BP-Bi на поверхность графита Ван-дер-Ваальса таким образом, чтобы монослой BP-Bi был неповрежденным и достаточно плоским для проведения измерений. Используя преимущества высокого пространственного разрешения nc-AFM, атомная конфигурация с изгибом (Dh?0) BP-Bi, а также перераспределение заряда между двумя подрешетками были определены с помощью АСМ-визуализации и измерений с помощью зондовой микроскопии Кельвина (KPFM). После этого в монослое BP-Bi подтверждается регулярное расположение диполей в плоскости. Для сравнения, однослойный фосфор (фосфорен) не имеет изгиба в каждом подслое - следовательно, он центросимметричен и неполяризован. Затем переключение поляризации BP-Bi осуществляется с помощью электрического поля в плоскости, создаваемого наконечником STM, которое является основой для записи на устройства энергонезависимой памяти.

Сегнетоэлектричество по сравнению с магнетизмом выгодно тем, что им манипулируют только с помощью электрического поля. Это делает его более подходящим для использования в устройствах с интегральными схемами. Многие исследования показали, что можно манипулировать другими свойствами материала, связывая сегнетоэлектричество с этими свойствами. В BP-Bi степень деформации атомной структуры определяет сегнетоэлектрическую поляризацию и, в то же время, управляет основной зонной структурой. Это приводит к взаимодействию между электронной структурой и сегнетоэлектрической поляризацией. Этот новый тип сегнетоэлектричества предлагает многообещающий способ модуляции электронной структуры материалов внешним электрическим полем посредством сегнетоэлектрических искажений.

Доктор Цзянь ГОУ, ведущий автор исследовательской работы, сказал: "Другие исследования также показали, что BP-Bi демонстрирует топологически нетривиальные состояния при определенной высоте изгиба, что предполагает потенциальную возможность настройки топологических состояний с помощью электрического поля".

Фактически, поляризационные характеристики оказывают решающее влияние на основные оптические и электрические свойства материалов. Открытие одноэлементной сегнетоэлектрической поляризации добавляет новый взгляд на изучение основных физических свойств элементарных веществ.

Профессор Ви сказал: "В дополнение к опровержению идеи здравого смысла о том, что ионная поляризация существует только в соединениях, мы считаем, что одноэлементное сегнетоэлектричество в BP-Bi откроет новый взгляд на изучение и разработку новых сегнетоэлектрических материалов и вдохновит на создание новой физики элементарных материалов в будущем".