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Nature volume 617, pages 67-72 (2023)Citer cet article

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Les matériaux ferroélectriques sont fascinants pour leurs polarisations électriques commutables non volatiles induites par la rupture spontanée d'inversion-symétrie. Cependant, dans tous les composés ferroélectriques conventionnels, au moins deux ions constitutifs sont nécessaires pour prendre en charge la commutation de polarisation1,2. Nous rapportons ici l’observation d’un état ferroélectrique à élément unique dans une couche de bismuth de type phosphore noir, dans lequel le transfert de charge ordonné et la distorsion atomique régulière entre les sous-réseaux se produisent simultanément. Au lieu d'une configuration orbitale homogène qui se produit habituellement dans les substances élémentaires, nous avons constaté que les atomes de Bi dans une monocouche de Bi de type phosphore noir maintiennent une hybridation orbitale sp faible et anisotrope, donnant lieu à la structure bouclée brisée par inversion-symétrie accompagnée d'une redistribution de charge. dans la cellule unitaire. En conséquence, la polarisation électrique dans le plan apparaît dans la monocouche de Bi. En utilisant le champ électrique dans le plan produit par la microscopie à sonde à balayage, la commutation ferroélectrique est visualisée expérimentalement. En raison du verrouillage conjugatif entre le transfert de charge et le déplacement de l'atome, nous observons également le profil de potentiel électrique anormal au niveau de la paroi du domaine queue à queue à 180° induit par la compétition entre la structure électronique et la polarisation électrique. Cette ferroélectricité émergente à élément unique élargit le mécanisme du ferroélectrique et pourrait enrichir les applications de la ferroélectronique à l’avenir.

Les ferroélectriques sont bien connus pour leurs applications dans les mémoires non volatiles4 et les capteurs électriques5, et leurs applications ont été étendues aux domaines du photovoltaïque ferroélectrique pour la récupération efficace des énergies renouvelables6 et des dispositifs synaptiques pour le puissant calcul neuromorphique7. Récemment, la recherche sur les ferroélectriques a été étendue aux limites bidimensionnelles (2D) avec des performances distinctes8,9,10, y compris les ferroélectriques pérovskites à l'épaisseur de la cellule unitaire11,12, les ferroélectriques monocouches avec des performances dans le plan ou hors plan. polarisation13,14 et ferroélectriques moirés 2D par l'empilement de van der Waals15,16.

Normalement, les matériaux ferroélectriques sont des composés constitués de deux ou plusieurs éléments constitutifs différents1,2. La redistribution électronique lors de la formation de la liaison chimique renormalise instantanément les orbitales de valence et donne les centres anioniques et cations. Une distorsion relative supplémentaire, un glissement ou un transfert de charge entre les centres de charge positifs et négatifs dans une cellule unitaire produisent l'ordre des dipôles électriques pour maintenir la ferroélectricité17,18,19. En revanche, comme les atomes d’une cellule unitaire d’une substance élémentaire sont identiques, un dipôle électrique ordonné ou même une polarisation ferroélectrique semblent difficiles à former spontanément. La réalisation de la ferroélectricité à élément unique manque également de démonstration expérimentale jusqu’à présent. Néanmoins, les éléments situés entre les métaux et les isolants dans le tableau périodique montrent des capacités de liaison flexibles pour adopter plusieurs états dans un même système, comme les atomes de Sn dans la structure en nid d'abeilles 2D Sn2Bi montrent des états binaires20,21. Même dans le bore élémentaire, l’ionicité avec transfert de charge entre sous-réseaux résulte des différentes configurations de liaison dans chaque sous-réseau (B12 et B2) . L'équilibre subtil entre les états métalliques et isolants de ces éléments est facile à modifier selon les différents environnements de sous-réseau, de sorte que les deux états peuvent être réalisés simultanément dans une cellule unitaire, offrant ainsi la possibilité de produire des cations et des anions dans une cellule unitaire pour obtenir de la ferroélectricité en un seul élément. matériaux des éléments. Récemment, certains travaux théoriques ont été consacrés à l'exploration de la polarité d'un seul élément ou de la ferroélectricité dans le Si élémentaire (réf. 23), P (réf. 24,25), As (réf. 25), Sb (réf. 25,26), Te (réf. 27) et Bi (réf. 25,26). En particulier, Xiao et al. prédit que la famille des matériaux monoélémentaires du groupe V dans une forme de van der Waals 2D, c'est-à-dire les monocouches As, Sb et Bi dans la structure anisotrope en phase α, ont un état fondamental non centrosymétrique pour supporter à la fois les cations et anions dans une cellule unitaire et produisent une polarisation ferroélectrique dans le plan dans la direction du fauteuil.