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2 ) possui metalicidade e ferroeletricidade naturais, mantendo-se semimetal. O que significam todos esses termos distorcidos, por que é tão surpreendente e onde pode ser aplicado na prática? Aprendemos sobre isso no relatório do grupo de pesquisa. Vamos lá
Base de estudo
Os materiais ferroelétricos têm um momento dipolar elétrico espontâneo (polarização), mesmo na ausência de um campo elétrico externo. Esse momento dipolo elétrico espontâneo pode passar repetidamente entre dois ou mais estados ou direções energeticamente equivalentes quando um campo elétrico externo é aplicado, o que destrói a degeneração e forma a base fundamental de inúmeras aplicações tecnológicas de materiais ferroelétricos. Para piezoeletricidade, uma estrutura cristalina não centrimétrica é o único requisito.
Mas para um material polar, além da não-centrimetria da estrutura cristalina, um eixo polar único deve existir. Para que um material seja considerado ferroelétrico, ele deve ser polar e exibir biestabilidade de polarização ao longo do eixo polar.
As propriedades da ferroeletricidade são frequentemente atribuídas a isoladores e semicondutores, e não a metais. Isso se deve ao fato de que
elétrons de condução * em metais protegem campos estáticos internos decorrentes da
ordem de dipolo de longo alcance * .
Elétrons de condução * são elétrons capazes de transferir uma carga em um cristal.
A ordem de longo alcance * é a ordem de átomos ou moléculas, que se repete a distâncias ilimitadas, que distingue a ordem de longo alcance da ordem de curto alcance.
E aqui os cientistas nos transferem para um passado relativamente recente. Em 1965, o trabalho de Philip Anderson e Edward Blount,
Considerações de simetria sobre transformações martensíticas: metais ferroelétricos? ”Na qual eles descrevem uma nova classe de materiais. Esse material, que possui as características de um metal com eixo polar e uma estrutura cristalina assimétrica com inversão, foi chamado de metal ferroelétrico. No entanto, confirmar experimentalmente esses cálculos teóricos em condições de temperatura ambiente tem sido até agora problemático, se não impossível.
Desde os anos 60, muita água fluiu e o mundo da ciência se tornou mais rico. Estudos modernos têm sido capazes de demonstrar implementações experimentais razoavelmente bem-sucedidas de sistemas metálicos cujas estruturas passaram por uma transição da centrossimetria para a não centrossimetria. Tais materiais incluem LiOsO
3 a 140 K e Cd
2 Re
2 O
7 a 200 K.
No trabalho que estamos considerando hoje, os cientistas se concentraram no WTe
2 cristalino a granel, que combina metalicidade natural e ferroeletricidade à temperatura ambiente. E essa fusão de características, como dizem os próprios pesquisadores, pode ser extremamente útil no desenvolvimento da nanotecnologia.
Resultados da pesquisa
Agora vamos à parte divertida. O que é o WTe
2 ? Como já sabemos, isso é telureto de tungstênio. Esta substância pertence aos dichalcogenetos dos metais de transição, que possuem uma variedade de estruturas cristalinas: hexagonal (2H), monoclinica (1T) e rômbica (Td).
Imagem Nº 1No caso de WTe
2, ocorre uma estrutura de cristal rômbico (
1A ), na qual os átomos de tungstênio (W) são coordenados octaedros por átomos de telúrio (Te), e as camadas sucessivas entre eles giram 180 °. Devido à forte ligação intermetálica, os átomos de tungstênio formam cadeias em zigue-zague com uma ligeira curvatura, o que leva à distorção do octaedro de telúrio (em torno de cada átomo de tungstênio).
O octaedro * é um poliedro com oito faces.
A imagem
1B mostra uma análise de difração de raios X de cristais simples WTe
2 com orientação de eixo
c . Os picos de difração (00l) confirmam a presença de uma única fase cristalina de Td em WTe2, isto é, uma estrutura cristalina rômbica. A ausência de simetria de inversão na fase Td tornou possível identificar WTe
2 como um semimetal de Weyl tipo II.
A principal diferença entre o WTe
2 e outros dichalcogenetos dos metais de transição é o fato de o WTe
2 ser um semimetal em seu estado fundamental, e não um semicondutor.
A medição da transferência de carga elétrica (
1C ) confirmou o estado fundamental semimetal do WTe
2 . Também é observada uma diminuição na resistência com uma diminuição da temperatura da temperatura ambiente para 10 K, característica dos sistemas metálicos. E medidas de magnetoresistência a 30 mK com um campo magnético de até 10 T mostraram oscilações acentuadas de Shubnikov-de Haas com quatro frequências fundamentais (
1D e
1E ), que servem como confirmação de quatro superfícies de Fermi que consistem em dois conjuntos de bolsas eletrônicas e de furos. A presença de orifícios e elétrons livres pode ser uma fonte de magnetoresistência muito alta e insaturada no WTe
2 .
Portanto, há uma condutividade metálica de até 30 mK, e a não-centrimetria, embora necessária, é insuficiente para a ferroeletricidade. Diante disso, os cientistas fazem a pergunta - um WTe
2 semimetal com um grupo espacial não centrossimétrico é um ferroelétrico?
Pesquisadores buscaram a resposta para essa importante questão usando a microscopia de força piezoelétrica (PFM), excelente para estudar a microestrutura de domínios e a dinâmica de polarização em materiais ferroelétricos clássicos. Este tipo de microscopia utiliza o efeito piezoelétrico inverso e detecta a deformação da rede devido ao campo elétrico aplicado.
As amostras em estudo eram pequenos pedaços de cristal único de WTe
2 com uma espessura de várias dezenas de micrômetros (
2A e
2B ).
Imagem No. 2Todos os parâmetros foram medidos à temperatura ambiente em ambiente seco e inerte. As imagens
2C -
2H mostram imagens de microscopia de força piezoelétrica das amostras, que confirmam a presença de domínios ferroelétricos antiparalelos, cujo tamanho médio varia de 20 a 50 nm. A superfície das amostras é considerada atomicamente plana com uma rugosidade média quadrática de ~ 0,2 nm (
2C ). Além dos domínios ovais (
2G e
2H ), também foram detectados domínios em forma de faixa (marcados por setas em
2D ).
Essas observações de domínios em cristais únicos semimetais de WTe
2 indicam que WTe
2 não apenas possui um eixo polar (eixo
c ), mas também possui estados de polarização biestáveis, que se manifestam como domínios antiparalelos estáticos. E isso, por sua vez, prova totalmente a presença de ferroeletricidade no WTe
2 semimetal à temperatura ambiente.
Um indicador importante do WTe
2 é a sua estabilidade. A superfície do WTe
2 é bastante sensível e pode sofrer oxidação no ar. O óxido de superfície é formado como resultado da liberação de ligações secundárias de W - O (WO
x ) e Te - O (TeO
2 ) na superfície do WTe
2 . A oxidação de WTe
2 é um processo autolimitado e leva à formação de uma camada de óxido de superfície amorfa com uma espessura de cerca de 2 nm.
Cristais a granel e amostras de WTe
2 relativamente espessas são mais estáveis no ar em comparação com amostras de multicamadas, especialmente WTe
2 de camada única e duas camadas. Além disso, não há grupo espacial polar em materiais amorfos e a ferroeletricidade não pode ocorrer, pois existe apenas em materiais cristalinos.
Um atributo ainda mais importante da ferroelétrica é a reorientação da polarização usando um campo elétrico externo. O problema é que, diferentemente dos ferroelétricos isolantes, é muito mais difícil alternar a polarização no WTe
2 devido à sua alta condutividade: o viés aplicado induz uma corrente elétrica ao invés de afetar as distorções polares.
Esse problema pode ser resolvido com a introdução de uma camada dielétrica entre os contatos, o que permitirá aplicar um campo elétrico ao WTe
2 e realizar a comutação ferroelétrica.
Imagem No. 3Para alcançar tal configuração e excluir a possibilidade de introdução direta de carga da ponta no WTe
2 , foram preparadas amostras de filmes finos com a geometria do capacitor (
3A ). Nesta estrutura, a corrente é bloqueada pela camada dielétrica na interface ferroelétrica / metal, uma vez que a superfície da amostra WTe
2 é brevemente exposta ao ar antes que a deposição de metal forme uma camada muito fina de óxido.
A Figura
3B mostra uma bolacha metalizada WTe2 na superfície de um substrato de silicone revestido com Ti / Au. A espessura da placa WTe
2 é de 15 nm e a espessura do eletrodo superior de Ti / Au é de 9,5 nm. Assim, o fluxo de corrente é bastante atenuado nessa configuração, apesar de a placa WTe
2 ser metálica.
Agora era necessário demonstrar que a comutação da polarização ferroelétrica do WTe
2 é real. Para isso, medições espectroscópicas de PFM foram realizadas através do eletrodo superior na geometria do capacitor, que foi usado com sucesso anteriormente para medições de PFM do subeletrodo. A resposta piezoelétrica obtida em função do viés aplicado (
3C e
3D ) mostra um comportamento de histerese comutável, o que também é encontrado nas ferroelétricas tradicionais BaTiO
3 e Pb (Zr
x Ti
1-x ) O
3 .
Nas imagens
3E -
3G , a polarização residual orientada de maneira oposta controlada por polarização é claramente visível. Os cientistas observam que essa alternância entre os estados de polarização equivalente antiparalelo do WTe
2 pode ser realizada repetidamente.
Para um conhecimento mais detalhado das nuances do estudo (em particular dos cálculos teóricos), recomendo que você analise o
relatório dos cientistas .
Epílogo
Neste trabalho, os cientistas foram capazes de implementar o conceito de metais ferroelétricos, descrito em 1965. Os cálculos e teorias foram confirmados por um estudo prático da amostra, cujo papel foi desempenhado pelo semimetal Weil WTe
2 .
O WTe
2 cristalino a granel exibe estados de polarização biestável que alternam sob a influência de um campo elétrico externo. Assim, a ferroeletricidade é uma propriedade em massa do WTe
2 e não se limita a amostras de camada única.
Os cientistas pretendem continuar estudando a ferroeletricidade em outros materiais em camadas metálicas, pois podem se tornar um elemento importante das nanotecnologias futuras, em particular para eletrônicos com consumo de energia ultrabaixo.
Obrigado pela atenção, continuem curiosos e tenham uma boa semana de trabalho, pessoal! :)
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