Di dunia modern, sulit untuk mengejutkan seseorang dengan ponsel, yang darinya Anda dapat secara eksklusif menelepon dan mengirim SMS. Sekarang semua orang menginginkan semuanya dalam satu botol: panggilan dari mana saja di dunia, kamera keren untuk merekam video 4k, wadah yang tidak bisa ditembus dan baterai yang cukup untuk setengah kehidupan. Prinsip ini berlaku tidak hanya untuk benda sehari-hari, tetapi juga untuk unsur-unsur kimia. Banyak ilmuwan mencari unsur-unsur yang paling serbaguna, paduan, senyawa, dll. Yang menggabungkan sifat paling polar. Hari ini kita akan berkenalan dengan sebuah studi di mana para ilmuwan membuktikan bahwa tungsten telluride (WTe
2 ) memiliki logam yang alami dan feroelektrik, sambil tetap menjadi semimetal. Apa arti semua istilah bengkok ini, mengapa begitu menakjubkan, dan di mana bisa diterapkan dalam praktik? Kami belajar tentang ini dari laporan kelompok penelitian. Ayo pergi.
Dasar studi
Bahan feroelektrik memiliki momen dipol listrik spontan (polarisasi) bahkan tanpa adanya medan listrik eksternal. Momen dipol listrik spontan ini dapat berulang kali melewati dua atau lebih keadaan atau arah yang setara secara energetik ketika medan listrik eksternal diterapkan, yang menghancurkan degenerasi dan membentuk dasar dasar berbagai aplikasi teknologi bahan feroelektrik. Untuk piezoelektrik, satu-satunya struktur kristal non-sentrosimetris adalah satu-satunya syarat.
Tetapi untuk bahan kutub, selain noncentrosymmetry dari struktur kristal, sumbu kutub yang unik harus ada. Agar suatu material dapat dianggap sebagai feroelektrik, maka harus polar dan menunjukkan bistabilitas polarisasi di sepanjang sumbu kutub.
Sifat-sifat feroelektrik paling sering dikaitkan dengan isolator dan semikonduktor, bukan logam. Ini disebabkan oleh fakta bahwa
elektron konduksi * dalam logam melindungi medan internal statis yang timbul dari
urutan dipol jangka panjang * .
Elektron konduksi * adalah elektron yang mampu mentransfer muatan dalam kristal.
Urutan jangka panjang * adalah urutan atom atau molekul, yang berulang pada jarak yang tidak terbatas, yang membedakan urutan jarak jauh dari urutan jarak pendek.
Dan di sini para ilmuwan memindahkan kita ke masa lalu yang relatif baru. Pada tahun 1965, karya Philip Anderson dan Edward Blount,
Pertimbangan Simetri pada Transformasi Martensit: Logam Ferroelektrik? ”Di mana mereka menggambarkan kelas materi baru. Bahan ini, yang memiliki karakteristik logam dengan sumbu kutub dan struktur kristal asimetris dengan inversi, disebut logam feroelektrik. Namun, secara eksperimental mengkonfirmasikan perhitungan teoritis ini pada kondisi suhu kamar sampai sekarang bermasalah, jika bukan tidak mungkin.
Sejak 60-an, banyak air telah mengalir, dan dunia sains menjadi lebih kaya. Studi modern telah mampu menunjukkan implementasi eksperimental yang cukup berhasil dari sistem logam yang strukturnya mengalami transisi dari centrosymmetry ke noncentrosymmetry. Bahan-bahan tersebut meliputi LiOsO
3 pada 140 K dan Cd
2 Re
2 O
7 pada 200 K.
Dalam pekerjaan yang sedang kami pertimbangkan saat ini, para ilmuwan telah memfokuskan pada kristal curah WTe
2 , yang menggabungkan logam murni alami dan feroelektrik pada suhu kamar. Dan penggabungan karakteristik seperti itu, seperti yang dikatakan para peneliti sendiri, dapat sangat berguna dalam pengembangan nanoteknologi.
Hasil penelitian
Sekarang mari kita ke bagian yang menyenangkan. Apa itu WTe
2 ? Seperti yang sudah kita ketahui, ini adalah tungsten telluride. Zat ini milik dichalcogenides logam transisi, yang memiliki berbagai struktur kristal: heksagonal (2H), monoklinik (1T) dan rhombic (Td).
Gambar No. 1Dalam kasus WTe
2, struktur kristal belah ketupat (
1A ) terjadi, di mana atom tungsten (W) dikoordinasikan secara oktahedral oleh atom telurium (Te), dan lapisan berturut-turut di antaranya berputar 180 °. Karena ikatan intermetalik yang kuat, atom tungsten membentuk rantai zigzag dengan sedikit tikungan, yang mengarah ke distorsi telurium octahedra (di sekitar setiap atom tungsten).
Octahedron * adalah polyhedron dengan delapan wajah.
Gambar
1B menunjukkan analisis difraksi sinar-X kristal tunggal WTe
2 dengan orientasi sumbu
c . Puncak difraksi (00l) mengkonfirmasi keberadaan fase kristal tunggal Td di WTe
2 , yaitu, struktur kristal belah ketupat. Tidak adanya simetri inversi pada fase Td memungkinkan untuk mengidentifikasi WTe
2 sebagai semimetal Weyl tipe II.
Perbedaan utama antara WTe
2 dan dichalcogenides logam transisi lainnya adalah kenyataan bahwa WTe
2 adalah semimetal dalam keadaan dasarnya, dan bukan semikonduktor.
Pengukuran transfer muatan listrik (
1C ) mengkonfirmasi keadaan dasar semimetal WTe
2 . Penurunan resistensi juga dicatat dengan penurunan suhu dari suhu kamar ke 10 K, yang merupakan karakteristik dari sistem logam. Dan pengukuran magnetoresistance pada 30 mK dengan medan magnet hingga 10 T menunjukkan osilasi Shubnikov-de Haas yang diucapkan dengan empat frekuensi dasar (
1D dan
1E ), yang berfungsi sebagai konfirmasi dari empat permukaan Fermi yang terdiri dari dua set kantong elektronik dan lubang. Kehadiran lubang dan elektron bebas dapat menjadi sumber magnetoresisten tak jenuh yang sangat tinggi di WTe
2 .
Jadi, ada konduktivitas logam hingga 30 mK, dan noncentrosimetri, meskipun diperlukan, tidak cukup untuk feroelektrik. Mengingat hal ini, para ilmuwan mengajukan pertanyaan - apakah WTe
2 semimetal dengan kelompok ruang noncentrosymmetric merupakan feroelektrik?
Para peneliti mencari jawaban untuk pertanyaan penting ini menggunakan piezoelectric force microscopy (PFM), yang sangat baik untuk mempelajari struktur mikro domain dan dinamika polarisasi dalam bahan feroelektrik klasik. Jenis mikroskop ini menggunakan efek piezoelektrik terbalik dan mendeteksi deformasi kisi karena medan listrik yang diterapkan.
Sampel yang diteliti adalah potongan kristal tunggal kecil WTe
2 dengan ketebalan beberapa puluh mikrometer (
2A dan
2B ).
Gambar No. 2Semua parameter diukur pada suhu kamar di lingkungan kering lembam. Gambar
2C -
2H menunjukkan gambar mikroskop kekuatan piezoelektrik sampel, yang mengkonfirmasi keberadaan domain feroelektrik antiparalel, ukuran rata-rata bervariasi dari 20 hingga 50 nm. Permukaan sampel dianggap datar secara atomis dengan rata-rata kekasaran akar kuadrat ~ 0,2 nm (
2C ). Selain domain oval (
2G dan
2H ), domain seperti strip juga terdeteksi (ditandai oleh panah pada
2D ).
Pengamatan domain ini dalam kristal tunggal semimetal WTe
2 menunjukkan bahwa WTe
2 tidak hanya memiliki sumbu polar (sumbu
c ), tetapi juga memiliki status polarisasi yang dapat dipertahankan, yang memanifestasikan diri sebagai domain antiparalel statis. Dan ini, pada gilirannya, sepenuhnya membuktikan keberadaan feroelektrik dalam WTe
2 semimetal pada suhu kamar.
Indikator penting dari WTe
2 adalah stabilitasnya. Permukaan WTe
2 cukup sensitif dan dapat mengalami oksidasi di udara. Oksida permukaan terbentuk sebagai hasil dari pelepasan ikatan sekunder W - O (WO
x ) dan Te - O (TeO
2 ) pada permukaan WTe
2 . Oksidasi WTe
2 adalah proses yang membatasi diri dan mengarah pada pembentukan lapisan oksida permukaan amorf dengan ketebalan sekitar 2 nm.
Kristal curah dan sampel WTe
2 yang relatif tebal lebih stabil di udara dibandingkan dengan sampel multilayer, terutama WTe
2 lapis dan dua lapis. Selain itu, tidak ada gugus spasial polar dalam bahan amorf, dan feroelektrik tidak dapat terjadi, karena hanya ada dalam bahan kristal.
Atribut feroelektrik yang lebih penting adalah reorientasi polarisasi menggunakan medan listrik eksternal. Masalahnya adalah bahwa, tidak seperti isolasi feroelektrik, jauh lebih sulit untuk beralih polarisasi dalam WTe
2 karena konduktivitas yang tinggi: bias yang diterapkan menginduksi arus listrik daripada mempengaruhi distorsi kutub.
Masalah ini dapat diselesaikan dengan memperkenalkan lapisan dielektrik di antara kontak, yang akan memungkinkan penerapan medan listrik ke WTe
2 dan mewujudkan switching feroelektrik.
Gambar No. 3Untuk mencapai konfigurasi seperti itu dan untuk mengecualikan kemungkinan pemasukan langsung muatan dari ujung ke dalam WTe
2 , sampel film tipis dengan geometri kapasitor (
3A ) disiapkan. Dalam struktur seperti itu, arus terhalang oleh lapisan dielektrik pada antarmuka feroelektrik / logam, karena permukaan sampel WTe
2 terpapar udara sebelum pengendapan logam membentuk lapisan oksida yang sangat tipis.
Gambar
3B menunjukkan wafer metallized WTe
2 pada permukaan substrat silikon berlapis Ti / Au. Ketebalan pelat WTe
2 adalah 15 nm, dan ketebalan elektroda logam Ti / Au atas adalah 9,5 nm. Dengan demikian, aliran arus sangat dilemahkan dalam konfigurasi ini, terlepas dari kenyataan bahwa pelat WTe
2 bersifat logam.
Sekarang perlu untuk menunjukkan bahwa pengalihan polarisasi feroelektrik dari WTe
2 adalah nyata. Untuk ini, pengukuran PFM spektroskopi dilakukan melalui elektroda atas dalam geometri kapasitor, yang berhasil digunakan sebelumnya untuk pengukuran PFM dari subelektroda. Respons piezoelektrik yang diperoleh sebagai fungsi dari bias yang diterapkan (
3C dan
3D ) menunjukkan perilaku histeresis yang dapat dialihkan, yang juga ditemukan dalam feroelektrik tradisional BaTiO
3 dan Pb (Zr
x Ti
1-x ) O
3 .
Dalam gambar
3E -
3G , polarisasi residu yang berlawanan yang dikendalikan oleh bias terlihat jelas. Para ilmuwan mencatat bahwa peralihan antara keadaan polarisasi setara antiparalel dari WTe
2 dapat dilakukan berulang kali.
Untuk seorang kenalan yang lebih mendetail dengan nuansa penelitian (khususnya dengan perhitungan teoretis), saya sarankan Anda melihat
laporan para ilmuwan .
Epilog
Dalam karya ini, para ilmuwan dapat menerapkan konsep logam feroelektrik, yang dijelaskan kembali pada tahun 1965. Perhitungan dan teori dikonfirmasi oleh studi praktis sampel, yang perannya dimainkan oleh Weim semimetal WTe
2 .
Kristal curah WTe
2 menunjukkan status polarisasi yang dapat diubah yang beralih di bawah pengaruh medan listrik eksternal. Dengan demikian, feroelektrik adalah properti massal WTe
2 dan tidak terbatas pada sampel lapisan tunggal.
Para ilmuwan bermaksud untuk terus mempelajari feroelektrik pada bahan berlapis logam lainnya, karena mereka dapat menjadi elemen penting dari teknologi nano di masa depan, khususnya untuk elektronik dengan konsumsi energi yang sangat rendah.
Terima kasih atas perhatian Anda, tetap ingin tahu dan selamat bekerja, kawan! :)
Terima kasih telah tinggal bersama kami. Apakah Anda suka artikel kami? Ingin melihat materi yang lebih menarik? Dukung kami dengan melakukan pemesanan atau merekomendasikannya kepada teman-teman Anda,
diskon 30% untuk pengguna Habr pada analog unik dari server entry-level yang kami temukan untuk Anda: Seluruh kebenaran tentang VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps dari $ 20 atau bagaimana membagi server? (opsi tersedia dengan RAID1 dan RAID10, hingga 24 core dan hingga 40GB DDR4).
Dell R730xd 2 kali lebih murah? Hanya kami yang memiliki
2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV dari $ 199 di Belanda! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - mulai dari $ 99! Baca tentang
Cara Membangun Infrastruktur Bldg. kelas menggunakan server Dell R730xd E5-2650 v4 seharga 9.000 euro untuk satu sen?