二

Jul 18, 2023

Nature volume 617、pages 67–72 (2023)この記事を引用

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121 オルトメトリック

メトリクスの詳細

強誘電体材料は、自発的な反転対称性の破れによって引き起こされる不揮発性の切り替え可能な電気分極が魅力的です。 しかし、従来の強誘電性化合物のすべてにおいて、分極スイッチングをサポートするには少なくとも 2 つの構成イオンが必要です 1,2。 今回我々は、黒リン状のビスマス層3における単一元素強誘電状態の観察を報告する。この状態では、規則的な電荷移動と副格子間の規則的な原子歪みが同時に起こっている。 黒リンのようなBi単層中のBi原子は、素物質で通常起こる均質な軌道配置の代わりに、弱い異方性のsp軌道混成を維持し、電荷の再分布を伴う反転対称性の破れ座屈構造を引き起こしていることを我々は発見した。単位セル内で。 その結果、Bi単層に面内電気分極が現れる。 走査型プローブ顕微鏡によって生成される面内電場を使用すると、強誘電体スイッチングが実験的にさらに視覚化されます。 電荷移動と原子移動の間の共役ロックにより、電子構造と電気分極の間の競合によって引き起こされる 180°テールツーテール磁壁での異常な電位プロファイルも観察されます。 この新たな単一元素強誘電性は、強誘電体のメカニズムを広げ、将来的には強誘電体の応用を豊かにする可能性があります。

強誘電体は、不揮発性メモリ 4 や電気センサー 5 への応用でよく知られており、その応用は効率的な再生可能エネルギー収集 6 のための強誘電体太陽光発電や、強力なニューロモーフィック コンピューティング 7 のためのシナプス デバイスの分野にも拡張されています。 最近、強誘電体の研究は、単位セル厚のペロブスカイト強誘電体 11,12、面内または面外の単層強誘電体など、独特の性能を備えた 2 次元 (2D) の限界まで拡張されています 8,9,10。分極13、14とファンデルワールス積層による2Dモアレ強誘電体15、16。

通常、強誘電体材料は 2 つ以上の異なる構成元素から構成される化合物です1、2。 化学結合形成中の電子の再分布により、価電子軌道が瞬時にくり込まれ、アニオン中心とカチオン中心が生成されます。 さらに、単位セル内の正と負の電荷中心間の相対的な歪み、滑り、または電荷移動により、強誘電性を維持するための電気双極子の秩序が生成されます 17、18、19。 対照的に、素物質の単位胞内の原子は同一であるため、秩序だった電気双極子や強誘電分極さえも自発的に形成することは難しいと考えられます。 単一元素の強誘電性の実現についても、これまでのところ実験による実証が不足している。 それにもかかわらず、周期表の金属と絶縁体の間に位置する元素は、2D Sn2Bi ハニカム構造内の Sn 原子が二元状態を示すなど、1 つの系で複数の状態をとる柔軟な結合能力を示します 20,21。 元素状ホウ素であっても、副格子間の電荷移動を伴うイオン性は、各副格子 (B12 および B2) の異なる結合構成から生じることが判明しました 22。 これらの要素における金属状態と絶縁状態の間の微妙なバランスは、異なる副格子環境によって容易に変化するため、両方の状態が単位セル内で同時に実現され、単位セル内でカチオンとアニオンを生成して単一セルで強誘電性を達成する可能性が得られます。要素素材。 最近、いくつかの理論的研究は、元素 Si (参考文献 23)、P (参考文献 24、25)、As (参考文献 25)、Sb (参考文献 25、26)、 Te (参考文献 27) および Bi (参考文献 25、26)。 特に、シャオら。 は、2D ファンデルワールス形 28 の V 族単元素材料のファミリー、つまり異方性 α 相構造の単層 As、Sb、Bi は、陽イオンと陽イオンの両方をサポートする非中心対称な基底状態を持っていると予測しました。ユニットセル内のアニオンは、肘掛け椅子の方向に沿って面内強誘電分極を生成します。