二碲化钨：第一种能够“铁电翻转”的二维材料

21世纪可能被许多人视为一个革命性技术平台的时代，如智能手机或社交媒体。但是对许多科学家来说，本世纪是另一种平台的时代：二维( 2D )材料及其意想不到的秘密。

这些2D材料可以制备成薄如单层的晶体片，只有一个或几个原子厚。在单层内，电子的移动方式受到限制：就像棋盘游戏中的棋子一样，它们可以前后移动、左右移动或对角移动，但不能上下移动。这个约束使得单层材料在功能上是二维的。

2D领域揭示了量子力学预测的属性——基于概率波的规则，是所有物质行为的基础。自从第一个单层材料石墨烯于2004年首次问世以来，科学家们已经分离出许多其他2D材料，并揭示出它们都拥有独特的物理和化学特性，未来这可能会彻底改变计算和电信等领域。

对于华盛顿大学( UW )的科学家领导的团队来说，一种金属化合物（钨二氧化硅）的2D形式是一系列量子揭示。在《自然》杂志上发表的一篇论文中，科学家们报道了他们关于钨二氧化硅的最新发现：它的2D形式可以经历“铁电切换”。当两个单层结合时，产生的“双层”会产生自发的极化，通过外加电场可以在两个相反的状态之间翻转。

“在这种2D材料中发现了铁电开关，这是一个完全令人惊讶的事情，”UW物理教授、资深作者David Cobden说。“我们不是在寻找它，但是我们看到了奇怪的行为，在对它的性质做了假设之后，我们设计了一些实验，很好地证实了这一点。”

具有铁电特性的材料可以应用于存储、电容器、RFID卡技术，甚至医学传感器。David Cobden解释道：“把铁电体视为大自然的开关，铁电材料的极化状态意味着材料中的电荷分布不均匀——当铁电开关发生时，电荷会集体移动，而不是像基于晶体管的人工电子开关那样。”

UW团队从3D晶体形式创造了WTe2单层，这是由合著者Jiaqiang Yan在奥克里奇国家实验室和田纳西大学诺克斯维尔分校的Zhiying Zhao种植的。然后，UW团队在无氧隔离盒中工作以防止WTe2降解，使用透明胶带从晶体上剥离WTe2薄片——这是一种广泛用于隔离石墨烯和其他2D材料的技术。随着这些薄片的分离，他们可以测量它们的物理和化学性质，从而导致了铁电特性的发现。

WTe2是已知经历铁电切换的第一种剥离2D材料。在这一发现之前，科学家们只看到电绝缘体中的铁电开关。但是WTe2不是电绝缘体，它实际上是一种金属，尽管不是一种很好的金属。根据Cobden的说法，与许多传统的3D铁电材料不同，WTe2还保持铁电开关在室温下，这种开关是可靠的，不会随着时间的推移而退化。这些特性可能使WTe2成为比其他铁电化合物更小、更坚固的技术应用的更有希望的材料。

“我们在WTe2中看到的独特的物理特性组合提醒我们，在2D材料中可以观察到各种新现象，”Cobden说。

铁电开关是科布登和他的团队关于单层WTe2 的第二大发现。在2017年《自然物理学》的一篇论文中，研究小组报告说，这种材料也是“拓扑绝缘体”，这是第一种具有这种奇异特性的2D材料。

在拓扑绝缘体中，电子的波函数——量子力学状态的数学总结——有一种内在扭曲。由于很难消除这种扭曲，拓扑绝缘体可以在量子计算中得到应用——这一领域寻求利用电子、原子或晶体的量子力学特性来产生比当今技术更快的计算能力。UW团队的发现也源于David Thouless的理论，他是UW物理学名誉教授，因为在2D领域的拓扑研究而获得了2016年诺贝尔物理学奖。

Cobden和他的同事计划继续探索单层世贸组织，看看他们还能学到什么。“到目前为止，我们对WTe2的所有测量发现都会有一些惊喜，” Cobden说。“想到下一步我们可能会发现什么就很令人兴奋！”

文章来自materialstoday，原文题目为Stacking 2D material switches on novel property，由材料科技在线汇总整理。