Domínios ferroelétricos em um WTe 2 cristal único (imagem PFM). Crédito:FLEET
Em um jornal lançado hoje em Avanços da Ciência , Pesquisadores australianos descrevem a primeira observação de um metal ferroelétrico nativo:um metal nativo com estados de polarização espontânea biestáveis e eletricamente comutáveis - a marca registrada da ferroeletricidade. O estudo encontrou coexistência de metalicidade nativa e ferroeletricidade em ditelureto de tungstênio cristalino a granel (WTe 2 ) à temperatura ambiente. Um material van-der-Waals que é metálico e ferroelétrico em sua forma cristalina em massa à temperatura ambiente tem potencial para aplicações nanoeletrônicas.
O estudo representa o primeiro exemplo de um metal nativo com estados de polarização espontânea biestável e eletricamente comutável - a marca registrada da ferroeletricidade.
"Encontramos coexistência de metalicidade nativa e ferroeletricidade em ditelureto de tungstênio cristalino a granel (WTe 2 ) à temperatura ambiente, "explica o autor do estudo, Dr. Pankaj Sharma.
"Demonstramos que o estado ferroelétrico é comutável sob uma polarização elétrica externa e explicamos o mecanismo para 'ferroeletricidade metálica' no WTe 2 através de um estudo sistemático da estrutura cristalina, medições de transporte eletrônico e considerações teóricas. "
"Um material de van der Waals que é metálico e ferroelétrico em sua forma cristalina a granel em temperatura ambiente tem potencial para novas aplicações de nanoeletrônica, "diz o autor Dr. Feixiang Xiang.
Fundo ferroelétrico
A ferroeletricidade pode ser considerada uma analogia ao ferromagnetismo. Um material ferromagnético exibe magnetismo permanente, e em termos leigos, e simples, um 'ímã' com pólo norte e pólo sul. O material ferroelétrico também exibe uma propriedade elétrica análoga chamada de polarização elétrica permanente, que se origina de dipolos elétricos consistindo em iguais, mas extremidades ou pólos com cargas opostas. Em materiais ferroelétricos, esses dipolos elétricos existem no nível da célula unitária e dão origem a um momento de dipolo elétrico permanente sem desaparecimento.
Este momento de dipolo elétrico espontâneo pode ser repetidamente transitado entre dois ou mais estados ou direções equivalentes mediante a aplicação de um campo elétrico externo - uma propriedade utilizada em inúmeras tecnologias ferroelétricas, por exemplo, memória de computador nanoeletrônica, Cartões RFID, transdutores de ultrassom médico, câmeras infravermelhas, sonar submarino, sensores de vibração e pressão, e atuadores de precisão.
Convencionalmente, ferroeletricidade foi observada em materiais que são isolantes ou semicondutores em vez de metálicos, porque os elétrons de condução nos metais filtram os campos internos estáticos que surgem do momento de dipolo.
Modelo de ditelureto de tungstênio WTe 2 cristais em camadas, estrutura ortorrômbica. Crédito:FLEET
O estudo
Um semimetal ferroelétrico em temperatura ambiente foi publicado em Avanços da Ciência em julho de 2019.
Ditelureto de tungstênio monocristalino a granel (WTe 2 ), que pertence a uma classe de materiais conhecida como dichalcogenetos de metais de transição (TMDCs), foi sondado por medições espectroscópicas de transporte elétrico, microscopia de força atômica condutiva (c-AFM) para confirmar seu comportamento metálico, e por microscopia de força de resposta piezoelétrica (PFM) para mapear a polarização, detectar a deformação da rede devido a um campo elétrico aplicado.
Domínios ferroelétricos - ou seja, as regiões com direção oposta orientada de polarização - foram visualizadas diretamente em WTe recém-clivado 2 cristais únicos.
Medições espectroscópicas-PFM com eletrodo de topo em uma geometria de capacitor foram usadas para demonstrar a comutação da polarização ferroelétrica.
O estudo foi financiado pelo Australian Research Council, por meio do ARC Centre of Excellence in Future Low-Energy Electronics Technologies (FLEET), e o trabalho foi executado em parte usando as instalações dos NSW Nodes da Australian National Fabrication Facility, com a ajuda do esquema de bolsas do Programa de Treinamento em Pesquisa do Governo Australiano.
Os cálculos da teoria funcional da densidade de primeiros princípios (DFT) (University of Nebraska) confirmaram os achados experimentais das origens eletrônicas e estruturais da instabilidade ferroelétrica de WTe 2 , apoiado pela National Science Foundation.
Estudos ferroelétricos na FLEET
Os materiais ferroelétricos são profundamente estudados no FLEET (o Centro de Excelência ARC em Tecnologias de Eletrônica de Baixa Energia do Futuro) para seu uso potencial em eletrônica de baixa energia, 'além da tecnologia CMOS'.
O momento de dipolo elétrico comutável de materiais ferroelétricos poderia, por exemplo, ser usado como uma porta para o sistema de elétrons 2-D subjacente em um isolador topológico artificial.
Em comparação com semicondutores convencionais, a proximidade muito próxima (sub-nanômetro) de um momento de dipolo de elétron ferroelétrico para o gás de elétron no cristal atômico garante uma comutação mais eficaz, superando as limitações dos semicondutores convencionais, onde o canal condutor está enterrado dezenas de nanômetros abaixo da superfície.
Os materiais topológicos são investigados dentro do tema de pesquisa 1 da FLEET, que busca estabelecer caminhos eletrônicos de ultra-baixa resistência com os quais criar uma nova geração de eletrônicos de ultra-baixa energia.
