Wetenschap
Ferro-elektrische domeinen in een WTe 2 eenkristal (PFM-beeldvorming). Krediet:FLEET
In een krant die vandaag is uitgebracht in wetenschappelijke vooruitgang , Australische onderzoekers beschrijven de eerste waarneming van een inheems ferro-elektrisch metaal:een inheems metaal met bistabiele en elektrisch schakelbare spontane polarisatietoestanden - het kenmerk van ferro-elektriciteit. De studie vond het naast elkaar bestaan van natieve metalliciteit en ferro-elektriciteit in bulk kristallijn wolfraam ditelluride (WTe 2 ) op kamertemperatuur. Een van-der-Waals-materiaal dat zowel metallisch als ferro-elektrisch is in zijn bulk kristallijne vorm bij kamertemperatuur, heeft potentieel voor nano-elektronica-toepassingen.
De studie vertegenwoordigt het eerste voorbeeld van een natuurlijk metaal met bistabiele en elektrisch schakelbare spontane polarisatietoestanden - het kenmerk van ferro-elektriciteit.
"We vonden het naast elkaar bestaan van natieve metalliciteit en ferro-elektriciteit in bulk kristallijn wolfraam ditelluride (WTe 2 ) op kamertemperatuur, " legt studie auteur Dr. Pankaj Sharma uit.
"We hebben aangetoond dat de ferro-elektrische toestand schakelbaar is onder een externe elektrische voorspanning en verklaren het mechanisme voor 'metalen ferro-elektriciteit' in WTe 2 door een systematische studie van de kristalstructuur, elektronische transportmetingen en theoretische overwegingen."
"Een van der Waals-materiaal dat zowel metallisch als ferro-elektrisch is in zijn bulkkristallijne vorm bij kamertemperatuur, heeft potentieel voor nieuwe nano-elektronicatoepassingen, " zegt auteur Dr. Feixiang Xiang.
Ferro-elektrische achtergrond
Ferro-elektriciteit kan worden beschouwd als een analogie met ferromagnetisme. Een ferromagnetisch materiaal vertoont permanent magnetisme, en in termen van leken, is eenvoudig, een 'magneet' met noord- en zuidpool. Ferro-elektrisch materiaal vertoont eveneens een analoge elektrische eigenschap die een permanente elektrische polarisatie wordt genoemd, die afkomstig is van elektrische dipolen bestaande uit gelijke, maar tegengesteld geladen uiteinden of polen. In ferro-elektrische materialen, deze elektrische dipolen bestaan op het niveau van de eenheidscel en geven aanleiding tot een niet-verdwijnend permanent elektrisch dipoolmoment.
Dit spontane elektrische dipoolmoment kan herhaaldelijk worden overgezet tussen twee of meer equivalente toestanden of richtingen bij toepassing van een extern elektrisch veld - een eigenschap die wordt gebruikt in tal van ferro-elektrische technologieën, bijvoorbeeld nano-elektronisch computergeheugen, RFID-kaarten, medische ultrasone klankomvormers, infrarood camera's, onderzeese sonar, trillings- en druksensoren, en precisie-aandrijvers.
conventioneel, ferro-elektriciteit is waargenomen in materialen die isolerend of halfgeleidend zijn in plaats van metaalachtig, omdat geleidingselektronen in metalen de statische interne velden die voortkomen uit het dipoolmoment afschermen.
Model van wolfraam ditelluride WTe 2 kristallen in een gelaagde, orthorhombische structuur. Krediet:FLEET
De studie
Een ferro-elektrisch halfmetaal bij kamertemperatuur werd gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang in juli 2019.
Bulk monokristallijn wolfraam ditelluride (WTe 2 ), die behoort tot een klasse van materialen die bekend staat als overgangsmetaaldichalcogeniden (TMDC's), werd onderzocht door spectroscopische elektrische transportmetingen, conductive-atomic force microscopie (c-AFM) om het metaalgedrag te bevestigen, en door piëzo-responskrachtmicroscopie (PFM) om de polarisatie in kaart te brengen, het detecteren van roostervervorming als gevolg van een aangelegd elektrisch veld.
Ferro-elektrische domeinen, dat wil zeggen, de regio's met tegengesteld georiënteerde polarisatierichting werden direct gevisualiseerd in vers gespleten WTe 2 enkele kristallen.
Spectroscopische-PFM-metingen met topelektrode in een condensatorgeometrie werden gebruikt om het schakelen van de ferro-elektrische polarisatie aan te tonen.
De studie werd ondersteund door financiering van de Australian Research Council via het ARC Centre of Excellence in Future Low-Energy Electronics Technologies (FLEET), en het werk werd gedeeltelijk uitgevoerd met behulp van faciliteiten van de NSW Nodes van de Australian National Fabrication Facility, met de hulp van de Australian Government Research Training Program Scholarship-regeling.
Eerste principes dichtheidsfunctionaaltheorie (DFT) berekeningen (Universiteit van Nebraska) bevestigden de experimentele bevindingen van de elektronische en structurele oorsprong van de ferro-elektrische instabiliteit van WTe 2 , ondersteund door de National Science Foundation.
Ferro-elektrische studies bij FLEET
Ferro-elektrische materialen worden scherp bestudeerd bij FLEET (het ARC Centre of Excellence in Future Low-Energy Electronics Technologies) voor hun potentiële gebruik in energiezuinige elektronica, 'voorbij CMOS'-technologie.
Het schakelbare elektrische dipoolmoment van ferro-elektrische materialen zou bijvoorbeeld kunnen worden gebruikt als poort voor het onderliggende 2D-elektronensysteem in een kunstmatige topologische isolator.
In vergelijking met conventionele halfgeleiders, de zeer nauwe (sub-nanometer) nabijheid van het elektronendipoolmoment van een ferro-elektriciteit tot het elektronengas in het atomaire kristal zorgt voor een effectievere schakeling, het overwinnen van beperkingen van conventionele halfgeleiders waarbij het geleidende kanaal tientallen nanometers onder het oppervlak is begraven.
Topologische materialen worden onderzocht binnen FLEET's onderzoeksthema 1, die tot doel heeft elektronische paden met ultralage weerstand tot stand te brengen waarmee een nieuwe generatie elektronica met ultralage energie kan worden gecreëerd.
Wetenschap © https://nl.scienceaq.com