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2 ) tiene metalicidad natural y ferroelectricidad, sin dejar de ser semimetal. ¿Qué significan todos estos términos retorcidos, por qué es tan sorprendente y dónde se puede aplicar en la práctica? Aprendemos sobre esto del informe del grupo de investigación. Vamos
Base de estudio
Los materiales ferroeléctricos tienen un momento dipolar eléctrico espontáneo (polarización) incluso en ausencia de un campo eléctrico externo. Este momento dipolar eléctrico espontáneo puede pasar repetidamente entre dos o más estados o direcciones energéticamente equivalentes cuando se aplica un campo eléctrico externo, lo que destruye la degeneración y forma la base fundamental de numerosas aplicaciones tecnológicas de materiales ferroeléctricos. Para la piezoelectricidad, una estructura cristalina no centrosimétrica es el único requisito.
Pero para un material polar, además de la no centtrosimetría de la estructura cristalina, debe existir un eje polar único. Para que un material se considere ferroeléctrico, debe ser polar y exhibir biestabilidad de polarización a lo largo del eje polar.
Las propiedades de la ferroelectricidad se atribuyen con mayor frecuencia a aisladores y semiconductores, en lugar de metales. Esto se debe al hecho de que
los electrones de conducción * en los metales protegen los campos internos estáticos que surgen del
orden dipolar de largo alcance * .
Los electrones de conducción * son electrones que son capaces de transferir una carga en un cristal.
El orden de largo alcance * es el orden de átomos o moléculas, que se repite a distancias ilimitadas, lo que distingue el orden de largo alcance del orden de corto alcance.
Y aquí los científicos nos transfieren al pasado relativamente reciente. En 1965, el trabajo de Philip Anderson y Edward Blount,
Consideraciones de simetría sobre las transformaciones martensíticas: ¿metales ferroeléctricos? En el que describen una nueva clase de materiales. Este material, que tiene las características de un metal con un eje polar y una estructura cristalina asimétrica con una inversión, se llamó metal ferroeléctrico. Sin embargo, confirmar experimentalmente estos cálculos teóricos en condiciones de temperatura ambiente ha sido hasta ahora problemático, si no imposible.
Desde los años 60, ha fluido mucha agua y el mundo de la ciencia se ha enriquecido. Los estudios modernos han podido demostrar implementaciones experimentales bastante exitosas de sistemas metálicos cuyas estructuras experimentaron una transición de centrosimetría a no centtrosimetría. Dichos materiales incluyen LiOsO
3 a 140 K y Cd
2 Re
2 O
7 a 200 K.
En el trabajo que estamos considerando hoy, los científicos se han centrado en el WTe
2 cristalino a granel, que combina la metalicidad natural y la ferroelectricidad a temperatura ambiente. Y tal fusión de características, como dicen los propios investigadores, puede ser extremadamente útil en el desarrollo de la nanotecnología.
Resultados de la investigación
Ahora vamos a la parte divertida. ¿Qué es WTe
2 ? Como ya sabemos, esto es telururo de tungsteno. Esta sustancia pertenece a los dichoslcogenuros de metales de transición, que tienen una variedad de estructuras cristalinas: hexagonal (2H), monoclínica (1T) y rómbica (Td).
Imagen No. 1En el caso de WTe
2, tiene lugar una estructura cristalina rómbica (
1A ), en la cual los átomos de tungsteno (W) están coordinados octaédricamente por átomos de teluro (Te), y las capas sucesivas entre ellos giran 180 °. Debido al fuerte enlace intermetálico, los átomos de tungsteno forman cadenas en zigzag con una ligera curvatura, lo que conduce a la distorsión del octaedro de teluro (alrededor de cada átomo de tungsteno).
El octaedro * es un poliedro con ocho caras.
La imagen
1B muestra un análisis de difracción de rayos X de cristales individuales WTe
2 con orientación del eje
C. Los picos de difracción (00l) confirman la presencia de una única fase cristalina de Td en WTe
2 , es decir, una estructura cristalina rómbica. La ausencia de simetría de inversión en la fase Td permitió identificar WTe
2 como un semimetal de Weyl tipo II.
La principal diferencia entre WTe
2 y otros dichoslcogenuros de metales de transición es el hecho de que WTe
2 es un semimetal en su estado fundamental, y no un semiconductor.
La medición de la transferencia de carga eléctrica (
1C ) confirmó el estado fundamental semimetal de WTe
2 . También se observa una disminución de la resistencia con una disminución de la temperatura desde la temperatura ambiente hasta 10 K, que es característica de los sistemas metálicos. Y las mediciones de magnetorresistencia a 30 mK con un campo magnético de hasta 10 T mostraron pronunciadas oscilaciones de Shubnikov-de Haas con cuatro frecuencias fundamentales (
1D y
1E ), que sirven como confirmación de cuatro superficies Fermi que consisten en dos conjuntos de bolsillos electrónicos y de orificios. La presencia de agujeros y electrones libres puede ser una fuente de alta magnetorresistencia insaturada en WTe
2 .
Entonces, hay una conductividad metálica de hasta 30 mK, y la no centrosimetría, aunque necesaria, es insuficiente para la ferroelectricidad. Ante esto, los científicos hacen la pregunta: ¿es un WTe
2 semimetal con un grupo espacial no centtrosimétrico una ferroeléctrica?
Los investigadores buscaron la respuesta a esta importante pregunta utilizando microscopía de fuerza piezoeléctrica (PFM), que es excelente para estudiar la microestructura de dominios y la dinámica de polarización en materiales ferroeléctricos clásicos. Este tipo de microscopía utiliza el efecto piezoeléctrico inverso y detecta la deformación de la red debido al campo eléctrico aplicado.
Las muestras en estudio eran pequeñas piezas de un solo cristal de WTe
2 con un espesor de varias decenas de micrómetros (
2A y
2B ).
Imagen No. 2Todos los parámetros se midieron a temperatura ambiente en un ambiente seco inerte. Las imágenes
2C -
2H muestran imágenes de microscopía de fuerza piezoeléctrica de las muestras, que confirman la presencia de dominios ferroeléctricos antiparalelos, cuyo tamaño promedio varía de 20 a 50 nm. La superficie de las muestras se considera atómicamente plana con una rugosidad cuadrática media de ~ 0.2 nm (
2C ). Además de los dominios ovales (
2G y
2H ), también se detectaron dominios en forma de banda (marcados con flechas en
2D ).
Estas observaciones de dominios en cristales individuales semimetales de WTe
2 indican que WTe
2 no solo tiene un eje polar (eje
c ), sino que también tiene estados de polarización biestables, que se manifiestan como dominios antiparalelos estáticos. Y esto, a su vez, prueba completamente la presencia de ferroelectricidad en WTE
2 semimetal a temperatura ambiente.
Un indicador importante de WTe
2 es su estabilidad. La superficie de WTe
2 es bastante sensible y puede sufrir oxidación en el aire. El óxido superficial se forma como resultado de la liberación de enlaces secundarios W - O (WO
x ) y Te - O (TeO
2 ) en la superficie WTe
2 . La oxidación de WTe
2 es un proceso autolimitante y conduce a la formación de una capa de óxido superficial amorfa con un espesor de aproximadamente 2 nm.
Los cristales a granel y las muestras de WTe
2 relativamente gruesas son más estables en el aire en comparación con las muestras de múltiples capas, especialmente las WTe
2 de una capa y de dos capas. Además, no existe un grupo espacial polar en materiales amorfos, y no puede ocurrir ferroelectricidad, ya que existe solo en materiales cristalinos.
Un atributo aún más importante de los ferroeléctricos es la reorientación de la polarización utilizando un campo eléctrico externo. El problema es que, a diferencia de los ferroeléctricos aislantes, es mucho más difícil cambiar la polarización en WTe
2 debido a su alta conductividad: el sesgo aplicado induce una corriente eléctrica en lugar de afectar las distorsiones polares.
Este problema se puede resolver introduciendo una capa dieléctrica entre los contactos, lo que permitirá aplicar un campo eléctrico a WTe
2 y realizar la conmutación ferroeléctrica.
Imagen No. 3Para lograr dicha configuración y excluir la posibilidad de introducción directa de carga desde la punta en WTe
2 , se prepararon muestras de películas delgadas con la geometría del condensador (
3A ). En esta estructura, la corriente está bloqueada por la capa dieléctrica en la interfaz ferroeléctrica / metal, ya que la superficie de la muestra WTe
2 se expone brevemente al aire antes de que la deposición metálica forme una capa de óxido muy delgada.
La Figura
3B muestra una oblea metalizada WTe
2 en la superficie de un sustrato de silicio revestido con Ti / Au. El grosor de la placa WTe
2 es de 15 nm, y el grosor del electrodo de metal superior Ti / Au es de 9,5 nm. Por lo tanto, el flujo de corriente está muy atenuado en esta configuración, a pesar de que la placa WTe
2 es metálica.
Ahora era necesario demostrar que el cambio de la polarización ferroeléctrica de WTe
2 es real. Para esto, se llevaron a cabo mediciones espectroscópicas de PFM a través del electrodo superior en la geometría del condensador, que se utilizó con éxito anteriormente para las mediciones de PFM del subelectrodo. La respuesta piezoeléctrica obtenida en función del sesgo aplicado (
3C y
3D ) muestra un comportamiento de histéresis conmutable, que también se encuentra en los ferroeléctricos tradicionales BaTiO
3 y Pb (Zr
x Ti
1-x ) O
3 .
En las imágenes
3E -
3G , la polarización residual de orientación opuesta controlada por sesgo es claramente visible. Los científicos señalan que tal cambio entre estados de polarización equivalentes antiparalelos de WTe
2 puede realizarse repetidamente.
Para un conocimiento más detallado de los matices del estudio (en particular con los cálculos teóricos), le recomiendo que consulte el
informe de los científicos .
Epílogo
En este trabajo, los científicos pudieron implementar el concepto de metales ferroeléctricos, descrito en 1965. Los cálculos y teorías fueron confirmados por un estudio práctico de la muestra, cuyo papel fue jugado por Weil semimetal WTe
2 .
El WTe
2 cristalino a granel exhibe estados de polarización biestables que cambian bajo la influencia de un campo eléctrico externo. Por lo tanto, la ferroelectricidad es una propiedad masiva de WTe
2 y no se limita a muestras de una sola capa.
Los científicos tienen la intención de continuar estudiando la ferroelectricidad en otros materiales con capas de metal, ya que pueden convertirse en un elemento importante de las nanotecnologías futuras, en particular para la electrónica con un consumo de energía ultra bajo.
¡Gracias por su atención, sigan curiosos y tengan una buena semana de trabajo, muchachos! :)
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