Dominios ferroeléctricos en un WTe 2 monocristal (imágenes PFM). Crédito:FLOTA
En un documento publicado hoy en Avances de la ciencia , Investigadores australianos describen la primera observación de un metal ferroeléctrico nativo:un metal nativo con estados de polarización espontánea biestables y eléctricamente conmutables, el sello distintivo de la ferroelectricidad. El estudio encontró coexistencia de metalicidad nativa y ferroelectricidad en ditelurida de tungsteno cristalino a granel (WTe 2 ) a temperatura ambiente. Un material de van-der-Waals que sea tanto metálico como ferroeléctrico en su forma cristalina a granel a temperatura ambiente tiene potencial para aplicaciones nanoelectrónicas.
El estudio representa el primer ejemplo de un metal nativo con estados de polarización espontánea biestables y eléctricamente conmutables, el sello distintivo de la ferroelectricidad.
"Encontramos la coexistencia de la metalicidad nativa y la ferroelectricidad en la ditelurida de tungsteno cristalina a granel (WTe 2 ) a temperatura ambiente, "explica el autor del estudio, el Dr. Pankaj Sharma.
"Demostramos que el estado ferroeléctrico es conmutable bajo un sesgo eléctrico externo y explicamos el mecanismo de la 'ferroelectricidad metálica' en WTe 2 mediante un estudio sistemático de la estructura cristalina, medidas de transporte electrónico y consideraciones teóricas ".
"Un material de van der Waals que es tanto metálico como ferroeléctrico en su forma cristalina a granel a temperatura ambiente tiene potencial para nuevas aplicaciones nanoelectrónicas, "dice el autor Dr. Feixiang Xiang.
Antecedentes ferroeléctricos
La ferroelectricidad puede considerarse una analogía del ferromagnetismo. Un material ferromagnético muestra magnetismo permanente, y en términos de laicos, es simple, un 'imán' con polo norte y sur. El material ferroeléctrico también muestra una propiedad eléctrica análoga llamada polarización eléctrica permanente, que se origina a partir de dipolos eléctricos que constan de iguales, pero extremos o polos con carga opuesta. En materiales ferroeléctricos, estos dipolos eléctricos existen a nivel de celda unitaria y dan lugar a un momento dipolar eléctrico permanente que no desaparece.
Este momento dipolar eléctrico espontáneo se puede cambiar repetidamente entre dos o más estados o direcciones equivalentes mediante la aplicación de un campo eléctrico externo, una propiedad utilizada en numerosas tecnologías ferroeléctricas, por ejemplo, memoria de computadora nanoelectrónica, Tarjetas RFID, transductores de ultrasonido médicos, cámaras infrarrojas, sonar submarino, sensores de vibración y presión, y actuadores de precisión.
Convencionalmente Se ha observado ferroelectricidad en materiales que son aislantes o semiconductores en lugar de metálicos, porque los electrones de conducción en los metales filtran los campos internos estáticos que surgen del momento dipolar.
Modelo de ditelurida de tungsteno WTe 2 cristales en capas, estructura ortorrómbica. Crédito:FLOTA
El estudio
Se publicó un semimetal ferroeléctrico a temperatura ambiente en Avances de la ciencia en julio de 2019.
Ditelurida de tungsteno monocristalino a granel (WTe 2 ), que pertenece a una clase de materiales conocidos como dicalcogenuros de metales de transición (TMDC), fue probado mediante mediciones espectroscópicas de transporte eléctrico, microscopía de fuerza atómica conductiva (c-AFM) para confirmar su comportamiento metálico, y por microscopía de fuerza de respuesta piezoeléctrica (PFM) para mapear la polarización, detectar la deformación de la celosía debido a un campo eléctrico aplicado.
Dominios ferroeléctricos, es decir, las regiones con dirección de polarización de orientación opuesta se visualizaron directamente en WTe recién escindido 2 cristales individuales.
Se utilizaron mediciones espectroscópicas de PFM con electrodo superior en una geometría de condensador para demostrar la conmutación de la polarización ferroeléctrica.
El estudio fue financiado por el Australian Research Council a través del ARC Center of Excellence in Future Low-Energy Electronics Technologies (FLEET), y el trabajo se realizó en parte utilizando las instalaciones de los Nodos de Nueva Gales del Sur de la Instalación Nacional de Fabricación de Australia, con la asistencia del programa de becas del programa de formación en investigación del gobierno australiano.
Los cálculos de la teoría funcional de la densidad de primeros principios (DFT) (Universidad de Nebraska) confirmaron los hallazgos experimentales de los orígenes electrónicos y estructurales de la inestabilidad ferroeléctrica de WTe 2 , apoyado por la National Science Foundation.
Estudios ferroeléctricos en FLEET
Los materiales ferroeléctricos se estudian detenidamente en FLEET (el Centro de Excelencia ARC en Tecnologías Futuras de Electrónica de Baja Energía) por su uso potencial en la electrónica de baja energía. 'más allá de la tecnología CMOS'.
El momento dipolar eléctrico conmutable de los materiales ferroeléctricos podría, por ejemplo, utilizarse como puerta para el sistema de electrones bidimensionales subyacente en un aislante topológico artificial.
En comparación con los semiconductores convencionales, La proximidad muy cercana (subnanométrica) del momento dipolar del electrón de un ferroeléctrico al gas de electrones en el cristal atómico asegura una conmutación más efectiva. superando las limitaciones de los semiconductores convencionales donde el canal conductor está enterrado a decenas de nanómetros por debajo de la superficie.
Los materiales topológicos se investigan dentro del tema de investigación 1 de FLEET, que busca establecer rutas electrónicas de ultra baja resistencia con las que crear una nueva generación de electrónica de ultra baja energía.
