二維形式的鎢二碲化物充滿驚喜

公眾可能會認為21世紀是一個革命性技術平臺的時代，如智能手機或社交媒體。但對于許多科學家來說，本世紀是另一種平臺的時代：二維材料及其意想不到的秘密。

這些 2-D材料 可以在結晶片中制備，如單個單層薄，只有一個或幾個原子厚。在單層內，電子受限于它們如何移動：像棋盤游戲中的碎片一樣，它們可以從前到后，從一側到另一側或對角線移動 - 但不能向上或向下移動這種約束使單層膜在功能上是二維的。

二維領域揭示了量子力學預測的屬性 - 基于概率波的規則構成了所有物質行為的基礎。自 2004年首次推出石墨烯(第一個單層)以來 ，科學家已經分離出許多其他二維材料，并證明它們具有獨特的物理和化學特性，可以改變計算和電信等領域。

對于由華盛頓大學科學家領導的團隊來說，一種金屬化合物的二維形式 - 鎢二碲化物，或WTe 2 - 是一大堆量子揭示。在“ 自然 ”雜志在線發表的 一篇 論文中 ，研究人員報告了他們關于WTe 2的最新發現：它的2-D形式可以進行“鐵電轉換”。他們發現當兩個單層結合在一起時，由此產生的“雙層”形成了自發的電極化。 。可以通過施加的電場在兩個相反的狀態之間翻轉該極化。

“在這種二維材料中發現鐵電轉換是一個完全的驚喜，”資深作者，物理學教授大衛科布登說 。“我們并沒有尋找它，但我們看到了奇怪的行為，在對其性質做出假設之后，我們設計了一些實驗證明它很好。”

具有鐵電性質的材料可以應用于存儲器，電容器，RFID卡技術甚至醫療傳感器。

“將鐵電體視為大自然的轉變，”科布登說。“鐵電材料的極化狀態意味著材料內部的電荷分布不均勻 - 當發生鐵電轉換時，電荷一起移動，而不是像基于晶體管的人工電子開關那樣。”

UW團隊 從其三維結晶形式創建了WTe 2單層膜，該結構由 橡樹嶺國家實驗室的Jiaqiang Yan和諾克斯維爾田納西大學的趙志英共同種植 。然后，UW團隊在無氧隔離箱中工作以防止WTe 2 降解，使用透明膠帶 從晶體中剝離薄片WTe 2 - 這種技術被廣泛用于分離石墨烯和其他2-D材料。通過隔離這些板材，他們可以測量它們的物理和化學性質，從而發現鐵電特性。

WTe 2 是第一種經過鐵電轉換的剝落2-D材料。在此發現之前，科學家們只看到了電絕緣子中的鐵電開關 。但是WTe 2不是電絕緣體; 它實際上是一種金屬，雖然不是很好。Cobden表示 ，與許多傳統的3-D鐵電材料不同，WTe 2還可以在室溫下保持鐵電開關，并且其開關可靠并且不會隨著時間的推移而降低。這些特性可使WTe 2 成為比其他鐵電化合物更小，更強大的技術應用的有前途的材料。

“我們在WTe 2中看到的物理特性的獨特組合 提醒人們，在二維材料中可以觀察到各種新現象，”科布登說。

鐵電轉換是Cobden和他的團隊對單層WTe 2進行的第二次重大發現。在2017 年自然物理學論文中 ，該團隊報告稱這種材料也是一種“拓撲絕緣體”，這是具有這種奇特性質的第一種二維材料。

在拓撲絕緣體中，電子的 波函數 - 它們的量子力學狀態的數學總結 - 具有一種內置的扭曲。由于難以消除這種扭曲，拓撲絕緣體可以應用于量子計算 - 這一領域旨在利用電子，原子或晶體的量子力學特性來產生比當今技術指數級更快的計算能力。UW團隊的發現也源于David J. Thouless開發的理論 ，他是一位物理學榮譽退休教授， 分享2016年諾貝爾物理學獎 ，部分原因是他在二維領域的拓撲學研究。

科布登和他的同事計劃繼續探索單層WTe 2 ，看看他們還能學到什么。

“到目前為止，我們對WTe 2所測量的所有內容 都有一些驚喜，”科布登說。“想想下一步我們會發現什么是令人興奮的。”