新加坡国立大学(NUS)的物理学家在单元素铋单层中发现了一种新形式的铁电，它可以产生规则且可逆的偶极矩，用于非易失性存储器和电子传感器的未来应用。

铁电性是指某些材料表现出自发电极化的现象，这种现象可以通过施加外部电场来逆转。铁电材料的特征在于缺少对称中心的晶体结构。

由于在数据存储方面的潜在应用，铁电材料引起了广泛的研究关注。此外，它们的压电、热电和非线性光学特性已在可再生能源、微机电系统和光学器件等研究领域得到广泛研究。

近年来，二维(2D)铁电材料成为神经形态突触器件领域的新竞争者，显示出低维的优势。然而，由于可用材料的数量很少，二维铁电材料的发展仍然受到限制。

铁电性通常发生在由多种组成元素组成的化合物中，其中成分之间电子的得失促进了晶体中正离子和负离子的形成。规则的原子畸变或子晶格间的电荷排序导致中心对称性破缺，从而促进铁电极化的形成。

近日，新加坡国立大学理学院物理系AndrewWee教授带领的研究团队，突破性地发现了二维黑磷类铋(BP-Bi)中的单元素铁电态，颠覆了传统认识上面提到的铁电性。

通过使用优化的扫描隧道显微镜(STM)和非接触原子力显微镜(nc-AFM)技术，研究人员详细观察了BP-Bi中原子结构的中心对称破坏和子晶格之间的电荷转移。首次通过实验证明了铋单层的单元素离子性、单元素面内极化和单元素铁电性。这一发现改变了离子极化只存在于阳离子和阴离子化合物中的观念，拓展了未来铁电性的发展范围。

该工作由中国科学院物理研究所陈岚教授和浙江大学物理学院卢云浩教授合作完成。研究结果于2023年4月5日发表在《自然》杂志上。

研究人员在范德瓦尔斯石墨表面制备了高质量的BP-Bi，使单层BP-Bi完整且平坦，足以进行测量。利用nc-AFM的高空间分辨率，通过AFM成像和开尔文探针显微镜(KPFM)测量确定了BP-Bi的屈曲原子构型(Dh≠0)，以及两个子晶格之间的电荷重新分布.此后，在BP-Bi单层中确认了规则的面内偶极子排列。相比之下，单层磷(磷烯)在每个子层中都没有屈曲——因此它是中心对称的和非极化的。然后，利用STM尖端产生的面内电场实现BP-Bi的极化切换，这是在非易失性存储器件上进行写入的基础。

相对于磁性而言，铁电性有利于仅通过电场进行操纵。这使得它更适合包含在集成电路器件中。许多研究发现，可以通过将铁电性与这些属性耦合来操纵其他材料属性。在BP-Bi中，原子结构的屈曲程度决定了铁电极化，同时控制了基本能带结构。这导致电子结构和铁电极化之间的互锁。这种新型铁电性提供了一种通过铁电畸变通过外部电场调制材料电子结构的有前途的方法。

该研究论文的第一作者郭建博士说：“其他研究还表明，BP-Bi在特定屈曲高度处表现出拓扑非平凡状态，这表明通过电场调整拓扑状态的潜在机会。”

事实上，偏振特性对材料的基本光学和电学特性有着至关重要的影响。单元素铁电极化现象的发现，为研究单质物质的基本物理性质增添了新的视角。

黄教授说：“除了推翻离子极化仅存在于化合物中的常识性观念外，我们相信BP-Bi中的单元素铁电性将为新型铁电材料的研究和设计引入新的视角，并激发未来元素材料的新物理学。”