鐵電性是指在某些材料中表現(xiàn)出的一種自發(fā)電極化現(xiàn)象。這種極化可以通過施加外部電場進(jìn)行翻轉(zhuǎn)操作。由于鐵電相可以受電場控制，在數(shù)據(jù)存儲領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價值而備受關(guān)注。此外，鐵電材料的壓電、熱電和非線性光學(xué)特性在新能源、微電子和光學(xué)器件等領(lǐng)域也得到廣泛開發(fā)。近年來，二維鐵電材料作為神經(jīng)形態(tài)突觸器件領(lǐng)域的新型競爭者嶄露頭角，展示了二維材料低維度的優(yōu)勢。鐵電材料通常由兩種或多種不同元素的原子構(gòu)成，元素之間的電子得失促成晶體中正離子和負(fù)離子的形成，而晶格的畸變或電荷有序化導(dǎo)致中心對稱性破缺，從而使電子重新分布產(chǎn)生正負(fù)電荷中心分離，導(dǎo)致電偶極子的出現(xiàn)，促進(jìn)了鐵電極化的形成。在傳統(tǒng)認(rèn)知中，單質(zhì)由于原子的同質(zhì)性似乎難以產(chǎn)生鐵電極化。

中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心表面物理國家重點實驗室研究員陳嵐和吳克輝課題組（SF09組）長期聚焦于單質(zhì)二維材料的生長和物性調(diào)控，特別在硅烯和硼烯方面獲得了一系列國際領(lǐng)先的研究成果。近日，課題組與新加坡國立大學(xué)物理系教授Andrew Wee和博士茍健（原SF09組博士研究生）以及浙江大學(xué)物理學(xué)院教授陸赟豪理論課題組合作，在類黑磷結(jié)構(gòu)的二維鉍（BP-Bi）中發(fā)現(xiàn)了全新的單質(zhì)鐵電態(tài)，打破了關(guān)于鐵電性的傳統(tǒng)認(rèn)知。

科研人員在具有石墨表面上生長制備了高質(zhì)量的單層BP-Bi樣品，由于石墨表面與BP-Bi之間為較弱的范德華相互作用，使得BP-Bi能保持本征特性，便于后續(xù)原子級物性表征和調(diào)控。研究利用qPlus原子力顯微鏡對BP-Bi進(jìn)行實空間成像，并結(jié)合開爾文探針顯微鏡（KPFM）測量，分別確定了BP-Bi的翹曲原子構(gòu)型以及子晶格之間的電荷重整化，因而證實了單層BP-Bi存在面內(nèi)有序電偶極矩排列。結(jié)合理論計算，研究發(fā)現(xiàn)，BP-Bi的原子結(jié)構(gòu)翹曲程度決定鐵電極化，并影響材料的基本能帶結(jié)構(gòu)，從而在BP-Bi中造就了電子結(jié)構(gòu)和鐵電極化之間相互鎖定的奇異現(xiàn)象。這種新型鐵電性的發(fā)現(xiàn)為利用外電場調(diào)控鐵電畸變對材料的其他新奇性質(zhì)進(jìn)行調(diào)控提供了可能。進(jìn)一步，研究利用掃描探針產(chǎn)生的面內(nèi)電場對BP-Bi的電極化進(jìn)行了翻轉(zhuǎn)操作，這正是非易失性存儲器件實現(xiàn)數(shù)據(jù)寫入的功能基礎(chǔ)。

該工作首次在實驗中展示了二維鉍結(jié)構(gòu)中的單質(zhì)離子性、單質(zhì)面內(nèi)極化和單質(zhì)鐵電性，改變了離子極化僅存在于帶有陽離子和陰離子化合物中的傳統(tǒng)觀念，并拓展了未來鐵電材料的研究范圍。單質(zhì)鐵電極化的發(fā)現(xiàn)為單質(zhì)材料的基本物性研究添加了新的切入角度，為新型鐵電材料的研究和設(shè)計提供了新視角，并啟發(fā)未來單質(zhì)材料中新物理的發(fā)現(xiàn)和研究。

相關(guān)研究成果以Two-dimensional ferroelectricity in a single-element bismuth monolayer為題，發(fā)表在《自然》（Nature）上。研究工作得到新加坡國家研究基金、國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項、浙江省自然科學(xué)基金和中科院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團(tuán)隊計劃的支持。

單層BP-Bi的基本原子結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)性質(zhì)

BP-Bi中電偶極矩和極化翻轉(zhuǎn)的實驗實現(xiàn)

BP-Bi中兩種典型鐵電疇的行為