半金属碲化钨-纳米技术日的瑞士刀

在现代世界中，很难用手机给某人惊喜，您可以通过手机专门拨打和发送短信。 现在，每个人都想要一瓶中的所有东西：来自世界各地的通话，一台用于拍摄4k视频的炫酷相机，难以穿透的外壳以及足以使用半衰的电池。 该原理不仅适用于日常物品，而且适用于化学元素。 许多科学家正在寻找结合了最极性特性的最通用的元素，合金，化合物等。 今天，我们将结识一项研究，科学家在其中证明了碲化钨（WTe ₂ ）具有天然的金属性和铁电性，同时仍是半金属。 所有这些扭曲的术语是什么意思，为什么它如此神奇，并且可以在实践中应用？ 我们从研究小组的报告中了解到这一点。 走吧

学习基础

即使在没有外部电场的情况下，铁电材料也具有自发的电偶极矩（极化）。 当施加外部电场时，这种自发的电偶极矩可以在两个或多个能量等效状态或方向之间反复传递，这破坏了简并性，并构成了铁电材料众多技术应用的基本基础。 对于压电性，非中心对称的晶体结构是唯一的要求。

但是对于极性材料，除了晶体结构的非中心对称性之外，还必须存在唯一的极性轴。 对于被认为是铁电体的材料，它必须是极性的，并且沿极轴具有极化双稳态性。

铁电的特性通常归因于绝缘体和半导体，而不是金属。 这是由于以下事实：金属中的传导电子*屏蔽了由长距离偶极子阶*引起的静态内部场。

传导电子*是能够在晶体中转移电荷的电子。

远程顺序*是原子或分子的顺序，该顺序在无限的距离内重复，从而将远程顺序与短程顺序区分开。

在这里，科学家将我们转移到相对较近的过去。 1965年，菲利普·安德森（Philip Anderson）和爱德华·布朗特（Edward Blount） 撰写了《关于马氏体相变的对称性思考：铁电金属？ 他们在其中描述了一类新的材料。 这种材料具有极轴金属和具有反型的不对称晶体结构的特性，被称为铁电金属。 然而，迄今为止，即使不是不可能，在室温条件下通过实验证实这些理论计算也是有问题的。

自60年代以来，大量的水涌入，科学世界变得更加丰富。 现代研究已经能够证明金属系统的相当成功的实验实施，其结构经历了从中心对称到非中心对称的过渡。 这样的材料包括在140 K下的LiOsO ₃和在200 K下的Cd ₂ Re ₂ O ₇ 。

在我们今天正在考虑的工作中，科学家们专注于大块晶体WTe ₂ ，该晶体在室温下结合了天然金属性和铁电性。 正如研究人员自己所说，这种特性的融合对于纳米技术的发展可能非常有用。

研究成果

现在让我们进入有趣的部分。 什么是WTe ₂ ？ 众所周知，这是碲化钨。 该物质属于过渡金属二卤化物，具有多种晶体结构：六角形（2H），单斜晶（1T）和菱形（Td）。


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在WTe ₂的情况下_，会发生菱形晶体结构（ 1A ），其中钨原子（W）由碲原子（Te）八面体配位，并且它们之间的连续层旋转180°。 由于强大的金属间键，钨原子形成曲折的锯齿链，并带有轻微的弯曲，从而导致碲化八面体（围绕每个钨原子）变形。

八面体*是具有八个面的多面体。

图像1B显示了具有c轴方向的WTe ₂单晶的X射线衍射分析。 衍射峰（00l）证实了在WTe _2中存在Td的单晶相，即菱形晶体结构。 Td相中不存在反演对称性，因此有可能将WTe ₂鉴定为II型Weyl半金属。

WTe ₂和其他过渡金属_二卤化物之间的主要区别在于WTe ₂是处于基态的半金属，而不是半导体。

电荷转移（ 1C ）的测量证实了WTe ₂的半金属基态。 随着温度从室温降低到10 K，电阻也随之降低，这是金属系统的特征。 在磁场高达10 T的情况下，在30 mK时的磁阻测量结果显示，Shubnikov-de Haas振荡具有四个基本频率（ 1D和1E ），可以确认四个费米表面由两组电子和空穴组成。 空穴和自由电子的存在可能是WTe ₂中非常高的不饱和磁阻的来源。

因此，具有高达30 mK的金属电导率，尽管非对称性是必需的，但对于铁电性来说还是不够的。 鉴于此，科学家们提出了一个问题-具有非中心对称空间群的半金属WTe ₂是铁电体吗？

研究人员使用压电力显微镜（PFM）寻找了这个重要问题的答案，这对于研究经典铁电材料的畴的微观结构和极化动力学非常有用。 这种显微镜使用逆压电效应并检测由于施加的电场引起的晶格变形。

所研究的样品是WTe _2的小单晶，厚度为几十微米（ 2A和2B ）。


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所有参数均在室温，惰性干燥环境下测量。 图像2C - 2H显示了样品的压电力显微镜图像，证实了反平行铁电畴的存在，其平均大小在20至50 nm之间变化。 样品表面被认为是原子平坦的，均方根粗糙度约为0.2 nm（ 2C ）。 除椭圆形区域（ 2G和2H ）外，还检测到条状区域（由2D上的箭头标记）。

对半金属WTe ₂单晶中的畴的这些观察结果表明WTe ₂不仅具有极轴（ c轴），而且具有双稳态极化态，其表现为静态反平行畴。 而这又充分证明了室温下半金属WTe ₂中铁电的存在。

WTe ₂的重要指标是其稳定性。 WTe ₂的表面非常敏感，可以在空气中氧化。 表面氧化物是由于WTe ₂表面上的次级W-O（WO _x ）和Te-O（TeO ₂ ）键的释放而形成的。 WTe _2的氧化是一种自限性过程，导致形成厚度约2 nm的非晶表面氧化物层。

与多层样品相比，块状晶体和相对较厚的WTe ₂样品在空气中更稳定，尤其是单层和两层WTe ₂ 。 另外，在非晶态材料中没有极性空间基团，并且铁电性不发生，因为它仅存在于结晶性材料中。

铁电体的一个更重要的属性是使用外部电场重新极化。 问题在于，与绝缘铁电体不同，由于其高导电性，在WTe _2中切换极化要困难得多：施加的偏压感应出电流而不是影响极性畸变。

通过在触点之间引入介电层可以解决此问题，这将允许向WTe ₂施加电场并实现铁电切换。


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为了实现这样的配置并且排除了将电荷从尖端直接引入WTe ₂的可能性，制备了具有电容器几何形状（ 3A ）的薄膜样品。 在这种结构中，电流在铁电/金属界面处被电介质层阻挡，因为WTe ₂样品的表面在金属沉积形成非常薄的氧化物层之前会短暂暴露于空气中。

图3B示出了在Ti / Au涂覆的硅衬底的表面上的WTe ₂金属化晶片。 WTe ₂板的厚度为15 nm，上部Ti / Au金属电极的厚度为9.5 nm。 因此，尽管WTe ₂板是金属的，但在这种配置下电流却大大衰减。

现在有必要证明WTe ₂的铁电极化的切换_是真实的。 为此，通过电容器几何形状中的上部电极进行光谱PFM测量，该光谱已成功用于较早的子电极PFM测量。 所获得的作为所施加偏压（ 3C和3D ）的函数的压电响应显示出可切换的磁滞行为，这在传统的铁电体BaTiO ₃和Pb（Zr _x Ti _1-x ）O _3中也可以发现。

在图像3E - 3G中 ，由偏压控制的相反方向的残留极化清晰可见。 科学家注意到，在WTe _2的反平行等效极化状态之间的这种切换可以重复进行。

要更详尽地了解研究的细微差别（尤其是理论计算），建议您查看科学家的报告 。

结语

在这项工作中，科学家得以实现铁电金属的概念，该概念可追溯到1965年。 通过对样品的实际研究证实了计算和理论，该样品的作用由Weil半金属WTe ₂发挥。

块状晶体WTe ₂表现出双稳态偏振态，该偏振态在外部电场的影响下切换。 因此，铁电是WTe ₂的本体性质，并且不限于单层样品。

科学家打算继续研究其他金属层状材料中的铁电，因为它们可能成为未来纳米技术的重要元素，特别是对于能耗极低的电子产品。

谢谢大家的关注，保持好奇心，祝大家工作愉快！ :)

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