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2 ) a une métallicité et une ferroélectricité naturelles, tout en restant semi-métallique. Que signifient tous ces termes tordus, pourquoi est-il si étonnant et où peut-il être appliqué dans la pratique? Nous en apprenons à travers le rapport du groupe de recherche. Allons-y.
Base d'étude
Les matériaux ferroélectriques ont un moment dipolaire électrique spontané (polarisation) même en l'absence de champ électrique externe. Ce moment dipolaire électrique spontané peut passer à plusieurs reprises entre deux ou plusieurs états ou directions énergétiques équivalents lorsqu'un champ électrique externe est appliqué, ce qui détruit la dégénérescence et constitue la base fondamentale de nombreuses applications technologiques des matériaux ferroélectriques. Pour la piézoélectricité, une structure cristalline non centrosymétrique est la seule exigence.
Mais pour un matériau polaire, en plus de la non-centrosymétrie de la structure cristalline, un axe polaire unique doit exister. Pour qu'un matériau soit considéré comme ferroélectrique, il doit être polaire et présenter une bistabilité de polarisation le long de l'axe polaire.
Les propriétés de la ferroélectricité sont le plus souvent attribuées aux isolants et semi-conducteurs, plutôt qu'aux métaux. Cela est dû au fait que
les électrons de conduction * dans les métaux protègent les champs internes statiques résultant de l'
ordre dipolaire à longue portée * .
Les électrons de conduction * sont des électrons capables de transférer une charge dans un cristal.
L'ordre à longue portée * est l'ordre des atomes ou des molécules, qui se répète à des distances illimitées, qui distingue l'ordre à longue distance de l'ordre à courte portée.
Et ici, les scientifiques nous transfèrent dans un passé relativement récent. En 1965, les travaux de Philip Anderson et Edward Blount,
Symmetry Considerations on Martensitic Transformations: Ferroelectric Metals? ”Dans lequel ils décrivent une nouvelle classe de matériaux. Ce matériau, qui a les caractéristiques d'un métal à axe polaire et d'une structure cristalline asymétrique avec inversion, a été appelé métal ferroélectrique. Cependant, la confirmation expérimentale de ces calculs théoriques dans des conditions de température ambiante a jusqu'à présent été problématique, voire impossible.
Depuis les années 60, beaucoup d'eau a coulé et le monde de la science s'est enrichi. Les études modernes ont pu démontrer des implémentations expérimentales assez réussies de systèmes métalliques dont les structures ont subi une transition de la centrosymétrie à la non-centrosymétrie. Ces matériaux comprennent LiOsO
3 à 140 K et Cd
2 Re
2 O
7 à 200 K.
Dans les travaux que nous envisageons aujourd'hui, les scientifiques se sont concentrés sur le WTe
2 cristallin en vrac, qui combine la métallicité naturelle et la ferroélectricité à température ambiante. Et une telle fusion de caractéristiques, comme disent les chercheurs eux-mêmes, peut être extrêmement utile dans le développement de la nanotechnologie.
Résultats de recherche
Passons maintenant à la partie amusante. Qu'est-ce que WTe
2 ? Comme nous le savons déjà, il s'agit de tellurure de tungstène. Cette substance appartient aux dichalcogénures de métaux de transition, qui ont une variété de structures cristallines: hexagonale (2H), monoclinique (1T) et rhombique (Td).
Image n ° 1Dans le cas de WTe
2, une structure cristalline rhombique (
1A ) a lieu, dans laquelle les atomes de tungstène (W) sont coordonnés octaédralement par des atomes de tellure (Te), et les couches successives entre elles tournent à 180 °. En raison de la forte liaison intermétallique, les atomes de tungstène forment des chaînes en zigzag avec une légère courbure, ce qui conduit à une distorsion des octaèdres de tellure (autour de chaque atome de tungstène).
L'octaèdre * est un polyèdre à huit faces.
L'image
1B montre une analyse de diffraction des rayons X de monocristaux de WTe
2 avec une orientation de l'axe
c . Les pics de diffraction (00l) confirment la présence d'une seule phase cristalline de Td dans WTe
2 , c'est-à-dire une structure cristalline rhombique. L'absence de symétrie d'inversion dans la phase Td a permis d'identifier WTe
2 comme un semi-métal Weyl de type II.
La principale différence entre le WTe
2 et les autres dichalcogénures de métaux de transition est le fait que le WTe
2 est un semi-métal dans son état fondamental, et non un semi-conducteur.
La mesure du transfert de charge électrique (
1C ) a confirmé l'état fondamental semi-métallique de WTe
2 . Une diminution de la résistance est également notée avec une diminution de la température de la température ambiante à 10 K, ce qui est caractéristique des systèmes métalliques. Et les mesures de magnétorésistance à 30 mK avec un champ magnétique allant jusqu'à 10 T ont montré des oscillations prononcées de Shubnikov-de Haas avec quatre fréquences fondamentales (
1D et
1E ), qui servent de confirmation de quatre surfaces de Fermi constituées de deux ensembles de poches électroniques et de trous. La présence de trous et d'électrons libres peut être une source de magnétorésistance insaturée très élevée dans WTe
2 .
Il y a donc une conductivité métallique pouvant atteindre 30 mK et la non-centrosymétrie, bien que nécessaire, est insuffisante pour la ferroélectricité. Compte tenu de cela, les scientifiques se posent la question suivante: un WTe
2 semi-métallique avec un groupe d'espace non centrosymétrique est-il ferroélectrique?
Les chercheurs ont cherché la réponse à cette importante question en utilisant la microscopie à force piézoélectrique (PFM), qui est excellente pour étudier la microstructure des domaines et la dynamique de polarisation dans les matériaux ferroélectriques classiques. Ce type de microscopie utilise l'effet piézoélectrique inverse et détecte la déformation du réseau due au champ électrique appliqué.
Les échantillons étudiés étaient de petites pièces monocristallines de WTe
2 d'une épaisseur de plusieurs dizaines de micromètres (
2A et
2B ).
Image n ° 2Tous les paramètres ont été mesurés à température ambiante dans un environnement sec inerte. Les images
2C -
2H montrent des images de microscopie à force piézoélectrique des échantillons, qui confirment la présence de domaines ferroélectriques antiparallèles, dont la taille moyenne varie de 20 à 50 nm. La surface des échantillons est considérée comme atomiquement plate avec une rugosité quadratique moyenne de ~ 0,2 nm (
2C ). En plus des domaines ovales (
2G et
2H ), des domaines en forme de bande ont également été détectés (marqués par des flèches sur
2D ).
Ces observations de domaines dans des monocristaux semi-métalliques WTe
2 indiquent que WTe
2 a non seulement un axe polaire (axe
c ), mais aussi des états de polarisation bistables, qui se manifestent comme des domaines antiparallèles statiques. Et cela, à son tour, prouve pleinement la présence de ferroélectricité dans le semi-métal WTe
2 à température ambiante.
Un indicateur important de WTe
2 est sa stabilité. La surface de WTe
2 est assez sensible et peut subir une oxydation dans l'air. L'oxyde de surface est formé à la suite de la libération de liaisons secondaires W-O (WO
x ) et Te-O (TeO
2 ) sur la surface WTe
2 . L'oxydation de WTe
2 est un processus auto-limitant et conduit à la formation d'une couche d'oxyde de surface amorphe d'une épaisseur d'environ 2 nm.
Les cristaux en vrac et les échantillons de WTe
2 relativement épais sont plus stables dans l'air que les échantillons multicouches, en particulier le WTe
2 monocouche et bicouche. De plus, il n'y a pas de groupe spatial polaire dans les matériaux amorphes, et la ferroélectricité ne peut pas se produire, car elle n'existe que dans les matériaux cristallins.
Un attribut encore plus important des ferroélectriques est la réorientation de la polarisation à l'aide d'un champ électrique externe. Le problème est que, contrairement aux ferroélectriques isolants, il est beaucoup plus difficile de commuter la polarisation dans WTe
2 en raison de sa conductivité élevée: la polarisation appliquée induit un courant électrique plutôt que d'affecter les distorsions polaires.
Ce problème peut être résolu en introduisant une couche diélectrique entre les contacts, ce qui permettra d'appliquer un champ électrique à WTe
2 et de réaliser une commutation ferroélectrique.
Image n ° 3Pour atteindre une telle configuration et exclure la possibilité d'introduction directe de charge de la pointe dans WTe
2 , des échantillons de films minces avec la géométrie du condensateur (
3A ) ont été préparés. Dans une telle structure, le courant est bloqué par une couche diélectrique à l'interface ferroélectrique / métal, car la surface de l'échantillon WTe
2 est brièvement exposée à l'air avant que le dépôt de métal ne forme une couche d'oxyde très mince.
La figure
3B montre une plaquette métallisée WTe
2 sur la surface d'un substrat de silicium revêtu de Ti / Au. L'épaisseur de la plaque WTe
2 est de 15 nm et l'épaisseur de l'électrode métallique supérieure Ti / Au est de 9,5 nm. Ainsi, le flux de courant est fortement atténué dans cette configuration, malgré le fait que la plaque WTe
2 soit métallique.
Il fallait maintenant démontrer que la commutation de la polarisation ferroélectrique de WTe
2 est réelle. Pour cela, des mesures spectroscopiques PFM ont été effectuées à travers l'électrode supérieure dans la géométrie du condensateur, qui a été utilisée avec succès plus tôt pour les mesures PFM de la sous-électrode. La réponse piézoélectrique obtenue en fonction de la polarisation appliquée (
3C et
3D ) montre un comportement d'hystérésis commutable, que l'on retrouve également dans les ferroélectriques traditionnels BaTiO
3 et Pb (Zr
x Ti
1-x ) O
3 .
Dans les images
3E -
3G , la polarisation résiduelle orientée de façon opposée contrôlée par la polarisation est clairement visible. Les scientifiques notent qu'une telle commutation entre des états de polarisation équivalents antiparallèles de WTe
2 peut être effectuée à plusieurs reprises.
Pour une connaissance plus détaillée des nuances de l'étude (en particulier des calculs théoriques), je vous recommande de consulter le
rapport des scientifiques .
Épilogue
Dans ce travail, les scientifiques ont pu mettre en œuvre le concept de métaux ferroélectriques, décrit en 1965. Les calculs et les théories ont été confirmés par une étude pratique de l'échantillon, dont le rôle a été joué par le Weil semimetal WTe
2 .
Le WTe
2 cristallin en vrac présente des états de polarisation bistables qui commutent sous l'influence d'un champ électrique externe. Ainsi, la ferroélectricité est une propriété en vrac de WTe
2 et n'est pas limitée aux échantillons monocouches.
Les scientifiques ont l'intention de continuer à étudier la ferroélectricité dans d'autres matériaux en couches métalliques, car ils peuvent devenir un élément important des futures nanotechnologies, en particulier pour l'électronique à très faible consommation d'énergie.
Merci de votre attention, restez curieux et bonne semaine de travail, les gars! :)
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