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2 ) eine natürliche Metallizität und Ferroelektrizität aufweist und gleichzeitig ein Halbmetall bleibt. Was bedeuten all diese verdrehten Begriffe, warum ist es so erstaunlich und wo kann es in der Praxis angewendet werden? Dies erfahren wir aus dem Bericht der Forschungsgruppe. Lass uns gehen.
Studienbasis
Ferroelektrische Materialien haben auch ohne externes elektrisches Feld ein spontanes elektrisches Dipolmoment (Polarisation). Dieses spontane elektrische Dipolmoment kann wiederholt zwischen zwei oder mehr energetisch äquivalenten Zuständen oder Richtungen verlaufen, wenn ein externes elektrisches Feld angelegt wird, das die Entartung zerstört und die grundlegende Grundlage für zahlreiche technologische Anwendungen ferroelektrischer Materialien bildet. Für die Piezoelektrizität ist eine nicht zentrosymmetrische Kristallstruktur die einzige Voraussetzung.
Für ein polares Material muss jedoch zusätzlich zur Nichtzentrosymmetrie der Kristallstruktur eine eindeutige Polarachse existieren. Damit ein Material als ferroelektrisch betrachtet werden kann, muss es polar sein und eine Bistabilität der Polarisation entlang der Polarachse aufweisen.
Die Eigenschaften der Ferroelektrizität werden meistens eher Isolatoren und Halbleitern als Metallen zugeschrieben. Dies liegt an der Tatsache, dass
Leitungselektronen * in Metallen statische innere Felder abschirmen, die sich aus der
Dipolordnung mit großer Reichweite * ergeben .
Leitungselektronen * sind Elektronen, die eine Ladung in einem Kristall übertragen können.
Die Fernordnung * ist die Ordnung von Atomen oder Molekülen, die sich in unbegrenzten Abständen wiederholt, wodurch die Fernordnung von der Nahordnung unterschieden wird.
Und hier versetzen uns Wissenschaftler in die relativ junge Vergangenheit. 1965 die Arbeit von Philip Anderson und Edward Blount,
Symmetrieüberlegungen zu martensitischen Transformationen: Ferroelektrische Metalle? ”In denen sie eine neue Klasse von Materialien beschreiben. Dieses Material, das die Eigenschaften eines Metalls mit einer Polarachse und einer asymmetrischen Kristallstruktur mit Inversion aufweist, wurde als ferroelektrisches Metall bezeichnet. Die experimentelle Bestätigung dieser theoretischen Berechnungen bei Raumtemperatur war bisher jedoch problematisch, wenn nicht unmöglich.
Seit den 60er Jahren ist viel Wasser geflossen und die Welt der Wissenschaft ist reicher geworden. Moderne Studien konnten ziemlich erfolgreiche experimentelle Implementierungen von Metallsystemen nachweisen, deren Strukturen einen Übergang von der Zentrosymmetrie zur Nichtzentrosymmetrie erlebten. Solche Materialien umfassen LiOsO
3 bei 140 K und Cd
2 Re
2 O
7 bei 200 K.
In der Arbeit, die wir heute betrachten, haben sich Wissenschaftler auf kristallines WTe
2 konzentriert , das natürliche Metallizität und Ferroelektrizität bei Raumtemperatur kombiniert. Und eine solche Verschmelzung von Merkmalen kann, wie die Forscher selbst sagen, bei der Entwicklung der Nanotechnologie äußerst nützlich sein.
Forschungsergebnisse
Kommen wir nun zum lustigen Teil. Was ist WTe
2 ? Wie wir bereits wissen, ist dies Wolframtellurid. Diese Substanz gehört zu Übergangsmetalldichalkogeniden, die eine Vielzahl kristalliner Strukturen aufweisen: hexagonal (2H), monoklin (1T) und rhombisch (Td).
Bild Nr. 1Im Fall von WTe
2 findet eine rhombische Kristallstruktur (
1A ) statt, bei der die Wolframatome (W) durch Telluratome (Te) oktaedrisch koordiniert sind und die aufeinanderfolgenden Schichten zwischen ihnen sich um 180 ° drehen. Aufgrund der starken intermetallischen Bindung bilden Wolframatome Zickzackketten mit einer leichten Biegung, was zu einer Verzerrung der Telluroktaeder (um jedes Wolframatom) führt.
Das Oktaeder * ist ein Polyeder mit acht Flächen.
Bild
1B zeigt eine Röntgenbeugungsanalyse von WTe
2 -Einkristallen mit Ausrichtung auf der
c- Achse. Die Beugungspeaks (00l) bestätigen das Vorhandensein einer einkristallinen Phase von Td in WTe
2 , d. H. Einer rhombischen Kristallstruktur. Das Fehlen einer Inversionssymmetrie in der Td-Phase ermöglichte es, WTe
2 als Weyl-Halbmetall vom Typ II zu identifizieren.
Der Hauptunterschied zwischen WTe
2 und anderen Übergangsmetalldichalkogeniden ist die Tatsache, dass WTe
2 im Grundzustand ein Halbmetall und kein Halbleiter ist.
Die Messung des elektrischen Ladungstransfers (
1C ) bestätigte den semimetallischen Grundzustand von WTe
2 . Eine Abnahme des Widerstands wird auch mit einer Abnahme der Temperatur von Raumtemperatur auf 10 K festgestellt, was für metallische Systeme charakteristisch ist. Messungen des Magnetowiderstands bei 30 mK mit einem Magnetfeld von bis zu 10 T zeigten ausgeprägte Shubnikov-de-Haas-Schwingungen mit vier Grundfrequenzen (
1D und
1E ), die als Bestätigung für vier Fermi-Oberflächen dienen, die aus zwei Sätzen elektronischer Taschen und Lochtaschen bestehen. Das Vorhandensein von Löchern und freien Elektronen kann eine Quelle für einen sehr hohen ungesättigten Magnetowiderstand in WTe
2 sein .
Es gibt also eine metallische Leitfähigkeit von bis zu 30 mK, und die Nichtzentrosymmetrie ist zwar notwendig, aber für die Ferroelektrizität unzureichend. Vor diesem Hintergrund stellen Wissenschaftler die Frage: Ist ein Halbmetall-WTe
2 mit einer nichtzentrosymmetrischen Raumgruppe ein Ferroelektrikum?
Die Forscher suchten nach der Antwort auf diese wichtige Frage mithilfe der piezoelektrischen Kraftmikroskopie (PFM), die sich hervorragend zur Untersuchung der Mikrostruktur von Domänen und der Polarisationsdynamik in klassischen ferroelektrischen Materialien eignet. Diese Art der Mikroskopie nutzt den inversen piezoelektrischen Effekt und erfasst Gitterverformungen aufgrund des angelegten elektrischen Feldes.
Die untersuchten Proben waren kleine Einkristallstücke von WTe
2 mit einer Dicke von mehreren zehn Mikrometern (
2A und
2B ).
Bild Nr. 2Alle Parameter wurden bei Raumtemperatur in einer inerten trockenen Umgebung gemessen. Die Bilder
2C -
2H zeigen Bilder der piezoelektrischen Kraftmikroskopie der Proben, die das Vorhandensein antiparalleler ferroelektrischer Domänen bestätigen, deren durchschnittliche Größe zwischen 20 und 50 nm variiert. Die Oberfläche der Proben wird als atomar flach mit einer mittleren quadratischen Rauheit von ~ 0,2 nm (
2C ) angesehen. Neben ovalen Domänen (
2G und
2H ) wurden auch streifenartige Domänen nachgewiesen (in
2D durch Pfeile markiert).
Diese Beobachtungen von Domänen in semimetallischen WTe
2 -Einkristallen zeigen, dass WTe
2 nicht nur eine Polarachse (
c- Achse) aufweist, sondern auch bistabile Polarisationszustände, die sich als statische antiparallele Domänen manifestieren. Und dies wiederum beweist vollständig das Vorhandensein von Ferroelektrizität in halbmetallischem WTe
2 bei Raumtemperatur.
Ein wichtiger Indikator für WTe
2 ist seine Stabilität. Die Oberfläche von WTe
2 ist sehr empfindlich und kann an der Luft oxidieren. Das Oberflächenoxid entsteht durch die Freisetzung von sekundären WO (WO
x ) - und TeO (TeO
2 ) -Bindungen auf der WTe
2 -Oberfläche. Die Oxidation von WTe
2 ist ein selbstlimitierender Prozess und führt zur Bildung einer amorphen Oberflächenoxidschicht mit einer Dicke von etwa 2 nm.
Massenkristalle und relativ dicke WTe
2 -Proben sind an der Luft stabiler als mehrschichtige Proben, insbesondere einschichtige und zweischichtige WTe
2 . Außerdem gibt es in amorphen Materialien keine polare räumliche Gruppe, und Ferroelektrizität kann nicht auftreten, da sie nur in kristallinen Materialien existiert.
Ein noch wichtigeres Merkmal der Ferroelektrik ist die Neuorientierung der Polarisation unter Verwendung eines externen elektrischen Feldes. Das Problem ist, dass es im Gegensatz zu isolierenden Ferroelektrika aufgrund seiner hohen Leitfähigkeit viel schwieriger ist, die Polarisation in WTe
2 umzuschalten: Die angelegte Vorspannung induziert einen elektrischen Strom, anstatt die polaren Verzerrungen zu beeinflussen.
Dieses Problem kann gelöst werden, indem eine dielektrische Schicht zwischen den Kontakten eingeführt wird, die das Anlegen eines elektrischen Feldes an WTe
2 und das Realisieren eines ferroelektrischen Schaltens ermöglicht.
Bild Nr. 3Um eine solche Konfiguration zu erreichen und die Möglichkeit einer direkten Einführung von Ladung von der Spitze in WTe
2 auszuschließen, wurden Proben von Dünnfilmen mit der Kondensatorgeometrie (
3A ) hergestellt. In einer solchen Struktur wird der Strom durch eine dielektrische Schicht an der Grenzfläche zwischen Ferroelektrikum und Metall blockiert, da die Oberfläche der WTe
2 -Probe kurz Luft ausgesetzt wird, bevor die Metallabscheidung eine sehr dünne Oxidschicht bildet.
Fig.
3B zeigt einen WTe
2 -metallisierten Wafer auf der Oberfläche eines Ti / Au-beschichteten Siliziumsubstrats. Die Dicke der WTe
2 -Platte beträgt 15 nm und die Dicke der oberen Ti / Au-Metallelektrode beträgt 9,5 nm. Somit wird der Stromfluss in dieser Konfiguration stark gedämpft, obwohl die WTe
2 -Platte metallisch ist.
Nun musste gezeigt werden, dass das Umschalten der ferroelektrischen Polarisation von WTe
2 real ist. Hierzu wurden spektroskopische PFM-Messungen durch die obere Elektrode in der Kondensatorgeometrie durchgeführt, die früher erfolgreich für PFM-Messungen der Subelektrode eingesetzt wurde. Die erhaltene piezoelektrische Antwort als Funktion der angelegten Vorspannung (
3C und
3D ) zeigt ein umschaltbares Hystereseverhalten, das auch in den traditionellen Ferroelektrika BaTiO
3 und Pb (Zr
x Ti
1-x ) O
3 zu finden ist .
In den Bildern
3E -
3G ist die durch Vorspannung gesteuerte entgegengesetzt ausgerichtete Restpolarisation deutlich sichtbar. Wissenschaftler stellen fest, dass ein solches Umschalten zwischen antiparallelen äquivalenten Polarisationszuständen von WTe
2 wiederholt durchgeführt werden kann.
Für eine detailliertere Kenntnis der Nuancen der Studie (insbesondere mit theoretischen Berechnungen) empfehle ich Ihnen, den
Bericht von Wissenschaftlern zu lesen .
Nachwort
In dieser Arbeit konnten Wissenschaftler das bereits 1965 beschriebene Konzept der ferroelektrischen Metalle umsetzen. Die Berechnungen und Theorien wurden durch eine praktische Untersuchung der Stichprobe bestätigt, deren Rolle das Weil-Halbmetall WTe
2 spielte .
Das kristalline Massen-WTe
2 weist bistabile Polarisationszustände auf, die unter dem Einfluss eines externen elektrischen Feldes schalten. Somit ist Ferroelektrizität eine Bulk-Eigenschaft von WTe
2 und ist nicht auf einschichtige Proben beschränkt.
Wissenschaftler beabsichtigen, die Ferroelektrizität in anderen Metallschichtmaterialien weiter zu untersuchen, da sie ein wichtiges Element zukünftiger Nanotechnologien werden können, insbesondere für Elektronik mit extrem geringem Energieverbrauch.
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit, bleiben Sie neugierig und haben Sie eine gute Arbeitswoche, Jungs! :) :)
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