對(duì)于UW物理學(xué)家來(lái)說(shuō)，二維形式的鎢二碲化物充滿驚喜

　　當(dāng)兩個(gè)單層WTe 2堆疊成雙層時(shí)，出現(xiàn)自發(fā)電極化，一層帶正電，另一層帶負(fù)電。可以通過(guò)施加電場(chǎng)來(lái)翻轉(zhuǎn)該

　　研究人員報(bào)告說(shuō)，二維形式的鎢二碲化物可以進(jìn)行“鐵電轉(zhuǎn)換”。具有鐵電性能的材料可以應(yīng)用于存儲(chǔ)器，電容器，RFID卡技術(shù)甚至醫(yī)療傳感器 - 而鎢二碲化合物是第一種經(jīng)過(guò)鐵電轉(zhuǎn)換的剝落的二維材料。

　　普通大眾可能會(huì)認(rèn)為21世紀(jì)是一個(gè)革命性技術(shù)平臺(tái)的時(shí)代，如智能手機(jī)或社交媒體。但對(duì)于許多科學(xué)家來(lái)說(shuō)，本世紀(jì)是另一種平臺(tái)的時(shí)代：二維材料及其意想不到的秘密。

　　這些2-D材料可以制成薄片狀結(jié)晶薄片，只有一個(gè)或多個(gè)原子厚度。在單層內(nèi)，電子在移動(dòng)方式上受到限制：像棋盤游戲中的碎片一樣，它們可以從前到后，從一側(cè)到另一側(cè)或?qū)蔷€移動(dòng) - 但不能向上或向下移動(dòng)。該約束使單層在功能上是二維的。

　　二維領(lǐng)域揭示了量子力學(xué)預(yù)測(cè)的屬性 - 基于概率波的規(guī)則構(gòu)成了所有物質(zhì)行為的基礎(chǔ)。自2004年首次推出石墨烯(第一個(gè)單層)以來(lái)，科學(xué)家已經(jīng)分離出許多其他二維材料，并證明它們具有獨(dú)特的物理和化學(xué)特性，可以改變計(jì)算和電信等領(lǐng)域。

　　對(duì)于由華盛頓大學(xué)科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)來(lái)說(shuō)，一種金屬化合物 - 二碲化鎢(或WTe 2)的二維形式是一大堆量子啟示。在7月23日在線發(fā)表在“ 自然 ”雜志上的一篇論文中，研究人員報(bào)告了他們關(guān)于WTe 2的最新發(fā)現(xiàn)：它的2-D形式可以進(jìn)行“鐵電轉(zhuǎn)換”。他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兩個(gè)單層結(jié)合在一起時(shí)，得到的“雙層”會(huì)產(chǎn)生自發(fā)的電極化。通過(guò)施加的電場(chǎng)可以在兩個(gè)相反的狀態(tài)之間翻轉(zhuǎn)該極化。

　　華盛頓大學(xué)物理學(xué)教授，資深作者大衛(wèi)科布登說(shuō)：“在這種二維材料中發(fā)現(xiàn)鐵電轉(zhuǎn)換是一個(gè)完全的驚喜。” “我們并沒(méi)有尋找它，但我們看到了奇怪的行為，在對(duì)它的性質(zhì)做出假設(shè)之后，我們?cè)O(shè)計(jì)了一些很好地證實(shí)它的實(shí)驗(yàn)。”

　　具有鐵電性質(zhì)的材料可以應(yīng)用于存儲(chǔ)器，電容器，RFID卡技術(shù)甚至醫(yī)療傳感器。

　　“將鐵電體視為大自然的轉(zhuǎn)變，”科布登說(shuō)。“鐵電材料的極化狀態(tài)意味著材料內(nèi)部的電荷分布不均勻 - 當(dāng)發(fā)生鐵電轉(zhuǎn)換時(shí)，電荷一起移動(dòng)，而不是像基于晶體管的人工電子開(kāi)關(guān)那樣。”

　　UW團(tuán)隊(duì)從三維結(jié)晶形式創(chuàng)建了WTe 2單分子層，該結(jié)構(gòu)由橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Jiaqiang Yan和諾克斯維爾田納西大學(xué)的趙志英共同種植。然后，UW團(tuán)隊(duì)在無(wú)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(shù)被廣泛用于分離石墨烯和其他2-D材料。通過(guò)隔離這些板材，他們可以測(cè)量它們的物理和化學(xué)性質(zhì)，從而發(fā)現(xiàn)鐵電特性。

　　WTe 2是第一種經(jīng)過(guò)鐵電轉(zhuǎn)換的剝離2-D材料。在此發(fā)現(xiàn)之前，科學(xué)家們只看到了電絕緣體中的鐵電開(kāi)關(guān)。但是WTe 2不是電絕緣體; 它實(shí)際上是一種金屬，雖然不是很好。根據(jù)Cobden的說(shuō)法，WTe 2還可以在室溫下保持鐵電開(kāi)關(guān)，并且其開(kāi)關(guān)可靠并且不會(huì)隨著時(shí)間的推移而降低，這與許多傳統(tǒng)的3-D鐵電材料不同。這些特性可使WTe 2成為比其他鐵電化合物更小，更強(qiáng)大的技術(shù)應(yīng)用的有前途的材料。

　　“我們?cè)赪Te 2中看到的物理特性的獨(dú)特組合提醒人們，在二維材料中可以觀察到各種新現(xiàn)象，”科布登說(shuō)。

　　鐵電轉(zhuǎn)換是Cobden和他的團(tuán)隊(duì)對(duì)單層WTe 2進(jìn)行的第二次重大發(fā)現(xiàn)。在2017年自然物理學(xué)論文中，該團(tuán)隊(duì)報(bào)告說(shuō)這種材料也是一種“拓?fù)浣^緣體”，這是具有這種奇特性質(zhì)的第一種二維材料。

　　在拓?fù)浣^緣體中，電子的波函數(shù) - 它們的量子力學(xué)狀態(tài)的數(shù)學(xué)總結(jié) - 具有一種內(nèi)置的扭曲。由于難以消除這種扭曲，拓?fù)浣^緣體可以應(yīng)用于量子計(jì)算 - 一個(gè)尋求利用電子，原子或晶體的量子力學(xué)特性來(lái)產(chǎn)生比當(dāng)今技術(shù)指數(shù)級(jí)更快的計(jì)算能力的領(lǐng)域。UW團(tuán)隊(duì)的發(fā)現(xiàn)也源于David J. Thouless開(kāi)發(fā)的理論，他是UW物理學(xué)榮譽(yù)教授，他分享了2016年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，部分原因是他在2-D領(lǐng)域的拓?fù)鋵W(xué)研究。

　　科布登和他的同事計(jì)劃繼續(xù)探索單層WTe 2，看看他們還能學(xué)到什么。

　　“到目前為止，我們對(duì)WTe 2所測(cè)量的所有內(nèi)容都有一些驚喜，”科布登說(shuō)。“想想下一步我們會(huì)發(fā)現(xiàn)什么是令人興奮的。”