Domini ferroelettrici in un WTe 2 cristallo singolo (imaging PFM). Credito:FLEET
In un documento pubblicato oggi in Progressi scientifici , Ricercatori australiani descrivono la prima osservazione di un metallo ferroelettrico nativo:un metallo nativo con stati di polarizzazione spontanei bistabili e commutabili elettricamente, il segno distintivo della ferroelettricità. Lo studio ha trovato la coesistenza di metallicità nativa e ferroelettricità nel ditelluride di tungsteno cristallino sfuso (WTe 2 ) a temperatura ambiente. Un materiale van-der-Waals che è sia metallico che ferroelettrico nella sua forma cristallina sfusa a temperatura ambiente ha il potenziale per applicazioni di nanoelettronica.
Lo studio rappresenta il primo esempio di un metallo nativo con stati di polarizzazione spontanei bistabili e commutabili elettricamente, il segno distintivo della ferroelettricità.
"Abbiamo trovato la coesistenza di metallicità nativa e ferroelettricità nel ditelluride di tungsteno cristallino sfuso (WTe 2 ) a temperatura ambiente, " spiega l'autore dello studio Dr. Pankaj Sharma.
"Abbiamo dimostrato che lo stato ferroelettrico è commutabile sotto una polarizzazione elettrica esterna e spieghiamo il meccanismo della "ferroelettricità metallica" in WTe 2 attraverso uno studio sistematico della struttura cristallina, misure di trasporto elettronico e considerazioni teoriche."
"Un materiale van der Waals che è sia metallico che ferroelettrico nella sua forma cristallina sfusa a temperatura ambiente ha il potenziale per nuove applicazioni di nanoelettronica, " dice l'autore Dr. Feixiang Xiang.
Fondo ferroelettrico
La ferroelettricità può essere considerata un'analogia con il ferromagnetismo. Un materiale ferromagnetico mostra magnetismo permanente, e in parole povere, è semplicemente, un 'magnete' con polo nord e polo sud. Anche il materiale ferroelettrico mostra un'analoga proprietà elettrica chiamata polarizzazione elettrica permanente, che origina da dipoli elettrici costituiti da uguali, ma estremità o poli di carica opposta. Nei materiali ferroelettrici, questi dipoli elettrici esistono a livello di cella unitaria e danno luogo a un momento di dipolo elettrico permanente non nullo.
Questo momento di dipolo elettrico spontaneo può essere ripetutamente sottoposto a transizione tra due o più stati o direzioni equivalenti su applicazione di un campo elettrico esterno, una proprietà utilizzata in numerose tecnologie ferroelettriche, per esempio la memoria del computer nanoelettronica, carte RFID, trasduttori di ultrasuoni medici, telecamere a infrarossi, sonar sottomarino, sensori di vibrazione e pressione, e attuatori di precisione.
Convenzionalmente, la ferroelettricità è stata osservata in materiali isolanti o semiconduttori piuttosto che metallici, perché gli elettroni di conduzione nei metalli schermano i campi interni statici derivanti dal momento di dipolo.
Modello di ditelluride di tungsteno WTe 2 cristalli a strati, struttura ortorombica. Credito:FLEET
Lo studio
Un semimetallo ferroelettrico a temperatura ambiente è stato pubblicato in Progressi scientifici nel luglio 2019.
Ditelluride di tungsteno monocristallino sfuso (WTe 2 ), che appartiene a una classe di materiali noti come dicalcogenuri di metalli di transizione (TMDC), è stata sondata mediante misure spettroscopiche di trasporto elettrico, microscopia a forza conduttiva-atomica (c-AFM) per confermare il suo comportamento metallico, e mediante microscopia a forza di risposta piezoelettrica (PFM) per mappare la polarizzazione, rilevamento della deformazione reticolare dovuta a un campo elettrico applicato.
Domini ferroelettrici, cioè le regioni con direzione di polarizzazione opposta sono state visualizzate direttamente in WTe . appena tagliato 2 cristalli singoli.
Le misurazioni spettroscopiche-PFM con l'elettrodo superiore in una geometria del condensatore sono state utilizzate per dimostrare la commutazione della polarizzazione ferroelettrica.
Lo studio è stato sostenuto da finanziamenti dell'Australian Research Council attraverso l'ARC Center of Excellence in Future Low-Energy Electronics Technologies (FLEET), e il lavoro è stato eseguito in parte utilizzando le strutture dei nodi NSW dell'Australian National Fabrication Facility, con l'assistenza del programma di borse di studio del programma di formazione per la ricerca del governo australiano.
I calcoli della teoria del funzionale della densità dei primi principi (DFT) (Università del Nebraska) hanno confermato i risultati sperimentali delle origini elettroniche e strutturali dell'instabilità ferroelettrica del WTe 2 , sostenuto dalla National Science Foundation.
Studi ferroelettrici presso FLEET
I materiali ferroelettrici sono attentamente studiati presso il FLEET (il Centro di Eccellenza ARC in Future Low-Energy Electronics Technologies) per il loro potenziale utilizzo nell'elettronica a bassa energia, tecnologia 'oltre il CMOS'.
Il momento di dipolo elettrico commutabile dei materiali ferroelettrici potrebbe ad esempio essere utilizzato come porta per il sistema di elettroni 2-D sottostante in un isolante topologico artificiale.
Rispetto ai semiconduttori convenzionali, la vicinanza molto stretta (sub-nanometrica) del momento di dipolo dell'elettrone di un ferroelettrico al gas di elettroni nel cristallo atomico garantisce una commutazione più efficace, superamento dei limiti dei semiconduttori convenzionali in cui il canale conduttore è sepolto decine di nanometri sotto la superficie.
I materiali topologici sono studiati nell'ambito del tema di ricerca 1 di FLEET, che cerca di stabilire percorsi elettronici a bassissima resistenza con cui creare una nuova generazione di elettronica a bassissima energia.
