二碲化鎢：第一種能夠「鐵電翻轉」的二維材料

21世紀可能被許多人視為一個革命性技術平台的時代，如智能手機或社交媒體。但是對許多科學家來說，本世紀是另一種平台的時代：二維( 2D )材料及其意想不到的秘密。

這些2D材料可以製備成薄如單層的晶體片，只有一個或幾個原子厚。在單層內，電子的移動方式受到限制：就像棋盤遊戲中的棋子一樣，它們可以前後移動、左右移動或對角移動，但不能上下移動。這個約束使得單層材料在功能上是二維的。

2D領域揭示了量子力學預測的屬性——基於概率波的規則，是所有物質行為的基礎。自從第一個單層材料石墨烯於2004年首次問世以來，科學家們已經分離出許多其他2D材料，並揭示出它們都擁有獨特的物理和化學特性，未來這可能會徹底改變計算和電信等領域。

對於華盛頓大學( UW )的科學家領導的團隊來說，一種金屬化合物（鎢二氧化硅）的2D形式是一系列量子揭示。在《自然》雜誌上發表的一篇論文中，科學家們報道了他們關於鎢二氧化硅的最新發現：它的2D形式可以經歷「鐵電切換」。當兩個單層結合時，產生的「雙層」會產生自發的極化，通過外加電場可以在兩個相反的狀態之間翻轉。

「在這種2D材料中發現了鐵電開關，這是一個完全令人驚訝的事情，」UW物理教授、資深作者David Cobden說。「我們不是在尋找它，但是我們看到了奇怪的行為，在對它的性質做了假設之後，我們設計了一些實驗，很好地證實了這一點。」

具有鐵電特性的材料可以應用於存儲、電容器、RFID卡技術，甚至醫學感測器。David Cobden解釋道：「把鐵電體視為大自然的開關，鐵電材料的極化狀態意味著材料中的電荷分布不均勻——當鐵電開關發生時，電荷會集體移動，而不是像基於晶體管的人工電子開關那樣。」

UW團隊從3D晶體形式創造了WTe2單層，這是由合著者Jiaqiang Yan在奧克里奇國家實驗室和田納西大學諾克斯維爾分校的Zhiying Zhao種植的。然後，UW團隊在無氧隔離盒中工作以防止WTe2降解，使用透明膠帶從晶體上剝離WTe2薄片——這是一種廣泛用於隔離石墨烯和其他2D材料的技術。隨著這些薄片的分離，他們可以測量它們的物理和化學性質，從而導致了鐵電特性的發現。

WTe2是已知經歷鐵電切換的第一種剝離2D材料。在這一發現之前，科學家們只看到電絕緣體中的鐵電開關。但是WTe2不是電絕緣體，它實際上是一種金屬，儘管不是一種很好的金屬。根據Cobden的說法，與許多傳統的3D鐵電材料不同，WTe2還保持鐵電開關在室溫下，這種開關是可靠的，不會隨著時間的推移而退化。這些特性可能使WTe2成為比其他鐵電化合物更小、更堅固的技術應用的更有希望的材料。

「我們在WTe2中看到的獨特的物理特性組合提醒我們，在2D材料中可以觀察到各種新現象，」Cobden說。

鐵電開關是科布登和他的團隊關於單層WTe2 的第二大發現。在2017年《自然物理學》的一篇論文中，研究小組報告說，這種材料也是「拓撲絕緣體」，這是第一種具有這種奇異特性的2D材料。

在拓撲絕緣體中，電子的波函數——量子力學狀態的數學總結——有一種內在扭曲。由於很難消除這種扭曲，拓撲絕緣體可以在量子計算中得到應用——這一領域尋求利用電子、原子或晶體的量子力學特性來產生比當今技術更快的計算能力。UW團隊的發現也源於David Thouless的理論，他是UW物理學名譽教授，因為在2D領域的拓撲研究而獲得了2016年諾貝爾物理學獎。

Cobden和他的同事計劃繼續探索單層世貿組織，看看他們還能學到什麼。「到目前為止，我們對WTe2的所有測量發現都會有一些驚喜，」 Cobden說。「想到下一步我們可能會發現什麼就很令人興奮！"

文章來自materialstoday，原文題目為Stacking 2D material switches on novel property，由材料科技在線匯總整理。

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