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Os físicos da Universidade Nacional de Cingapura (NUS) descobriram uma nova forma de ferroeletricidade em uma monocamada de bismuto de elemento único que pode produzir momentos de dipolo regulares e reversíveis para futuras aplicações de memórias não voláteis e sensores eletrônicos.
Ferroeletricidade refere-se ao fenômeno de certos materiais exibindo uma polarização elétrica espontânea que pode ser revertida pela aplicação de um campo elétrico externo. Materiais ferroelétricos são caracterizados por uma estrutura cristalina que não possui um centro de simetria.
Devido às aplicações potenciais para armazenamento de dados, os materiais ferroelétricos têm atraído a atenção da pesquisa. Além disso, suas propriedades piezoelétricas, termoelétricas e ópticas não lineares têm sido extensivamente estudadas em áreas de pesquisa como energia renovável, sistemas microeletromecânicos e dispositivos ópticos. Nos últimos anos, materiais ferroelétricos bidimensionais (2D) surgiram como um novo concorrente no campo de dispositivos de sinapse neuromórfica, exibindo a vantagem de baixa dimensionalidade. No entanto, o desenvolvimento de materiais ferroelétricos 2D ainda é limitado devido ao pequeno número de materiais disponíveis.
A ferroeletricidade comumente ocorre em compostos compostos por múltiplos elementos constituintes, onde o ganho e perda de elétrons entre os constituintes promove a formação de íons positivos e negativos no cristal. Distorções regulares de átomos ou ordenação de cargas entre sub-redes levam à quebra da simetria central, promovendo assim a formação de polarização ferroelétrica.
Recentemente, uma equipe de pesquisa liderada pelo professor Andrew WEE, do Departamento de Física da Faculdade de Ciências da NUS, fez uma descoberta revolucionária do estado ferroelétrico de elemento único no bismuto 2D preto semelhante ao fósforo (BP-Bi), derrubando o entendimento tradicional de ferroeletricidade mencionados acima. Usando técnicas otimizadas de microscopia de tunelamento (STM) e microscopia de força atômica sem contato (nc-AFM), os pesquisadores fizeram uma observação detalhada da quebra de centrosimetria na estrutura atômica e transferência de carga entre sub-redes em BP-Bi. Pela primeira vez, a ionicidade de elemento único, a polarização no plano de elemento único e a ferroeletricidade de elemento único foram demonstradas experimentalmente na monocamada de bismuto. Essa descoberta muda o conceito de que a polarização iônica só existe em compostos com cátions e ânions e amplia o escopo do desenvolvimento da ferroeletricidade no futuro. Este trabalho é realizado em colaboração com o professor Lan CHEN do Instituto de Física da Academia Chinesa de Ciências e o professor Yunhao LU da Escola de Física da Universidade de Zhejiang. As descobertas foram publicadas em Natureza em 5 de abril de 2023.
Os pesquisadores prepararam o BP-Bi de alta qualidade na superfície de grafite Van der Waals para que a monocamada BP-Bi esteja intacta e plana o suficiente para as medições. Aproveitando a alta resolução espacial do nc-AFM, a configuração atômica de flambagem (Dh?0) de BP-Bi, bem como a redistribuição de carga entre as duas sub-redes foram determinadas por imagens AFM e medições de microscopia de sonda Kelvin (KPFM). Posteriormente, um arranjo regular de dipolo no plano é confirmado na monocamada de BP-Bi. Em comparação, o fósforo de camada única (fosforeno) não apresenta flambagem em cada subcamada – portanto, é centrosimétrico e não polarizado. Em seguida, a comutação de polarização do BP-Bi é realizada usando o campo elétrico no plano produzido pela ponta STM, que é a base para a escrita nos dispositivos de memória não voláteis.
A ferroeletricidade relativa ao magnetismo é vantajosa por sua manipulação apenas pelo campo elétrico. Isso o torna mais adequado para ser contido em dispositivos de circuito integrado. Muitos estudos descobriram que é possível manipular outros atributos de materiais acoplando a ferroeletricidade com essas propriedades. No BP-Bi, o grau de flambagem da estrutura atômica determina a polarização ferroelétrica e, ao mesmo tempo, controla a estrutura básica da banda. Isso resulta em um bloqueio entre a estrutura eletrônica e a polarização ferroelétrica. Este novo tipo de ferroeletricidade oferece uma maneira promissora de modular a estrutura eletrônica de materiais por um campo elétrico externo por meio de distorção ferroelétrica.
Jian GOU, principal autor do trabalho de pesquisa, disse: “Outras pesquisas também mostraram que o BP-Bi exibe estados topologicamente não triviais em uma altura de flambagem específica, sugerindo uma oportunidade potencial para ajustar estados topológicos por meio de um campo elétrico”.
De fato, as características de polarização têm um impacto crítico nas propriedades ópticas e elétricas básicas dos materiais. A descoberta da polarização ferroelétrica de elemento único acrescenta um novo ponto de vista ao estudo das propriedades físicas básicas das substâncias elementares.
O professor Wee disse: “Além de derrubar a ideia de senso comum de que a polarização iônica só existe em compostos, acreditamos que a ferroeletricidade de elemento único no BP-Bi introduziria uma nova perspectiva para o estudo e design de novos materiais ferroelétricos e inspiraria nova física de materiais elementares no futuro.”
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