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对于UW物理学家来说,二维形式的钨二碲化物充满惊喜

2018年08月13日

 

  当两个单层WTe 2堆叠成双层时,出现自发电极化,一层带正电,另一层带负电。可以通过施加电场来翻转该

  研究人员报告说,二维形式的钨二碲化物可以进行“铁电转换”。具有铁电性能的材料可以应用于存储器,电容器,RFID卡技术甚至医疗传感器 - 而钨二碲化合物是第一种经过铁电转换的剥落的二维材料。

  普通大众可能会认为21世纪是一个革命性技术平台的时代,如智能手机或社交媒体。但对于许多科学家来说,本世纪是另一种平台的时代:二维材料及其意想不到的秘密。

  这些2-D材料可以制成薄片状结晶薄片,只有一个或多个原子厚度。在单层内,电子在移动方式上受到限制:像棋盘游戏中的碎片一样,它们可以从前到后,从一侧到另一侧或对角线移动 - 但不能向上或向下移动。该约束使单层在功能上是二维的。

  二维领域揭示了量子力学预测的属性 - 基于概率波的规则构成了所有物质行为的基础。自2004年首次推出石墨烯(第一个单层)以来,科学家已经分离出许多其他二维材料,并证明它们具有独特的物理和化学特性,可以改变计算和电信等领域。

  对于由华盛顿大学科学家领导的团队来说,一种金属化合物 - 二碲化钨(或WTe 2)的二维形式是一大堆量子启示。在7月23日在线发表在“ 自然 ”杂志上的一篇论文中,研究人员报告了他们关于WTe 2的最新发现:它的2-D形式可以进行“铁电转换”。他们发现,当两个单层结合在一起时,得到的“双层”会产生自发的电极化。通过施加的电场可以在两个相反的状态之间翻转该极化。

  华盛顿大学物理学教授,资深作者大卫科布登说:“在这种二维材料中发现铁电转换是一个完全的惊喜。” “我们并没有寻找它,但我们看到了奇怪的行为,在对它的性质做出假设之后,我们设计了一些很好地证实它的实验。”

  具有铁电性质的材料可以应用于存储器,电容器,RFID卡技术甚至医疗传感器。

  “将铁电体视为大自然的转变,”科布登说。“铁电材料的极化状态意味着材料内部的电荷分布不均匀 - 当发生铁电转换时,电荷一起移动,而不是像基于晶体管的人工电子开关那样。”

  UW团队从三维结晶形式创建了WTe 2单分子层,该结构由橡树岭国家实验室的Jiaqiang Yan和诺克斯维尔田纳西大学的赵志英共同种植。然后,UW团队在无氧隔离箱中工作以防止WTe 2降解,使用透明胶带从晶体中剥离薄片WTe 2 - 这种技术被广泛用于分离石墨烯和其他2-D材料。通过隔离这些板材,他们可以测量它们的物理和化学性质,从而发现铁电特性。

  WTe 2是第一种经过铁电转换的剥离2-D材料。在此发现之前,科学家们只看到了电绝缘体中的铁电开关。但是WTe 2不是电绝缘体; 它实际上是一种金属,虽然不是很好。根据Cobden的说法,WTe 2还可以在室温下保持铁电开关,并且其开关可靠并且不会随着时间的推移而降低,这与许多传统的3-D铁电材料不同。这些特性可使WTe 2成为比其他铁电化合物更小,更强大的技术应用的有前途的材料。

  “我们在WTe 2中看到的物理特性的独特组合提醒人们,在二维材料中可以观察到各种新现象,”科布登说。

  铁电转换是Cobden和他的团队对单层WTe 2进行的第二次重大发现。在2017年自然物理学论文中,该团队报告说这种材料也是一种“拓扑绝缘体”,这是具有这种奇特性质的第一种二维材料。

  在拓扑绝缘体中,电子的波函数 - 它们的量子力学状态的数学总结 - 具有一种内置的扭曲。由于难以消除这种扭曲,拓扑绝缘体可以应用于量子计算 - 一个寻求利用电子,原子或晶体的量子力学特性来产生比当今技术指数级更快的计算能力的领域。UW团队的发现也源于David J. Thouless开发的理论,他是UW物理学荣誉教授,他分享了2016年诺贝尔物理学奖,部分原因是他在2-D领域的拓扑学研究。

  科布登和他的同事计划继续探索单层WTe 2,看看他们还能学到什么。

  “到目前为止,我们对WTe 2所测量的所有内容都有一些惊喜,”科布登说。“想想下一步我们会发现什么是令人兴奋的。”

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