Físicos de la Universidad Nacional de Singapur (NUS) han descubierto una nueva forma de ferroelectricidad en una monocapa de bismuto de un solo elemento que puede producir momentos dipolares regulares y reversibles para futuras aplicaciones de memorias no volátiles y sensores electrónicos.
La ferroelectricidad se refiere al fenómeno de ciertos materiales que exhiben una polarización eléctrica espontánea que puede revertirse aplicando un campo eléctrico externo. Los materiales ferroeléctricos se caracterizan por una estructura cristalina que carece de centro de simetría.
Debido a las aplicaciones potenciales para el almacenamiento de datos, los materiales ferroeléctricos han atraído la atención de la investigación. Además, sus propiedades ópticas piezoeléctricas, termoeléctricas y no lineales han sido ampliamente estudiadas en áreas de investigación como energías renovables, sistemas microelectromecánicos y dispositivos ópticos. En los últimos años, los materiales ferroeléctricos bidimensionales (2D) han surgido como un nuevo competidor en el campo de los dispositivos de sinapsis neuromórfica, mostrando la ventaja de la baja dimensionalidad. Sin embargo, el desarrollo de materiales ferroeléctricos 2D todavía está limitado debido a la pequeña cantidad de materiales disponibles.
La ferroelectricidad comúnmente ocurre en compuestos compuestos por múltiples elementos constituyentes, donde la ganancia y pérdida de electrones entre los constituyentes promueve la formación de iones positivos y negativos en el cristal. La distorsión atómica regular o el ordenamiento de carga entre subredes conduce a la ruptura de la simetría central, promoviendo así la formación de polarización ferroeléctrica.
Recientemente, un equipo de investigación dirigido por el profesor Andrew WEE del Departamento de Física de la Facultad de Ciencias de la NUS, realizó un descubrimiento revolucionario del estado ferroeléctrico de un solo elemento en el bismuto similar al fósforo negro (BP-Bi) 2D, anulando la comprensión tradicional. de ferroelectricidad mencionada anteriormente. Mediante el uso de técnicas optimizadas de microscopía de túnel de barrido (STM) y microscopía de fuerza atómica sin contacto (nc-AFM), los investigadores realizaron una observación detallada de la ruptura de centrosimetría en la estructura atómica y la transferencia de carga entre subredes en BP-Bi. Por primera vez, la ionicidad de un solo elemento, la polarización en el plano de un solo elemento y la ferroelectricidad de un solo elemento se demostraron experimentalmente en la monocapa de bismuto. Este descubrimiento cambia el concepto de que la polarización iónica solo existe en compuestos con cationes y aniones, y amplía el alcance del desarrollo de la ferroelectricidad en el futuro. Este trabajo se lleva a cabo en colaboración con el profesor Lan CHEN del Instituto de Física de la Academia de Ciencias de China y el profesor Yunhao LU de la Facultad de Física de la Universidad de Zhejiang. Los hallazgos se publicaron en Nature el 5 de abril de 2023.
Los investigadores prepararon el BP-Bi de alta calidad en la superficie de grafito de Van der Waals para que la monocapa de BP-Bi esté intacta y lo suficientemente plana para las mediciones. Aprovechando la alta resolución espacial de nc-AFM, la configuración atómica de pandeo (Dh?0) de BP-Bi, así como la redistribución de carga entre las dos subredes, se determinaron mediante imágenes de AFM y mediciones de microscopía de sonda Kelvin (KPFM). A partir de entonces, se confirma una disposición dipolar regular en el plano en la monocapa de BP-Bi. En comparación, el fósforo de una sola capa (fosforeno) no tiene pandeo en cada subcapa, por lo tanto, es centrosimétrico y no polarizado. Luego, el cambio de polarización de BP-Bi se realiza utilizando el campo eléctrico en el plano producido por la punta STM, que es la base para escribir en los dispositivos de memoria no volátil.
La ferroelectricidad relativa al magnetismo es ventajosa para su manipulación únicamente por el campo eléctrico. Esto lo hace más adecuado para estar contenido en dispositivos de circuito integrado. Muchos estudios encontraron que es posible manipular otros atributos del material acoplando la ferroelectricidad con estas propiedades. En BP-Bi, el grado de pandeo de la estructura atómica determina la polarización ferroeléctrica y, al mismo tiempo, controla la estructura básica de la banda. Esto da como resultado un enclavamiento entre la estructura electrónica y la polarización ferroeléctrica. Este nuevo tipo de ferroelectricidad ofrece una forma prometedora de modular la estructura electrónica de los materiales mediante un campo eléctrico externo a través de la distorsión ferroeléctrica.
El Dr. Jian GOU, autor principal del artículo de investigación, dijo : « Otra investigación también ha demostrado que BP-Bi exhibe estados topológicamente no triviales a una altura de pandeo específica, lo que sugiere una oportunidad potencial para ajustar los estados topológicos a través de un campo eléctrico ».
De hecho, las características de polarización tienen un impacto crítico en las propiedades ópticas y eléctricas básicas de los materiales. El descubrimiento de la polarización ferroeléctrica de un solo elemento añade un nuevo punto de vista al estudio de las propiedades físicas básicas de las sustancias elementales.
El profesor Wee dijo : « Además de anular la idea de sentido común de que la polarización iónica solo existe en los compuestos, creemos que la ferroelectricidad de un solo elemento en BP-Bi introduciría una nueva perspectiva en el estudio y diseño de nuevos materiales ferroeléctricos e inspiraría nueva física de materiales elementales en el futuro ».