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Natura volume 617, pagine 67–72 (2023) Citare questo articolo

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I materiali ferroelettrici sono affascinanti per le loro polarizzazioni elettriche commutabili non volatili indotte dalla rottura spontanea della simmetria di inversione. Tuttavia, in tutti i composti ferroelettrici convenzionali, sono necessari almeno due ioni costituenti per supportare la commutazione della polarizzazione1,2. Qui riportiamo l'osservazione di uno stato ferroelettrico a singolo elemento in uno strato di bismuto simile al fosforo nero3, in cui il trasferimento ordinato di carica e la distorsione regolare dell'atomo tra i sottoreticoli avvengono simultaneamente. Invece di una configurazione orbitale omogenea che normalmente si verifica nelle sostanze elementari, abbiamo scoperto che gli atomi di Bi in un monostrato di Bi nero simile al fosforo mantengono un'ibridazione orbitale sp debole e anisotropa, dando origine alla struttura deformata con simmetria di inversione accompagnata da una ridistribuzione della carica nella cella unitaria. Di conseguenza, la polarizzazione elettrica nel piano emerge nel monostrato Bi. Utilizzando il campo elettrico nel piano prodotto dalla microscopia a scansione della sonda, la commutazione ferroelettrica viene ulteriormente visualizzata sperimentalmente. A causa del bloccaggio coniugativo tra il trasferimento di carica e lo spostamento dell'atomo, osserviamo anche il profilo anomalo del potenziale elettrico sulla parete del dominio coda a coda a 180° indotto dalla competizione tra la struttura elettronica e la polarizzazione elettrica. Questa emergente ferroelettricità a singolo elemento amplia il meccanismo della ferroelettricità e potrebbe arricchire le applicazioni della ferroelettronica in futuro.

I ferroelettrici sono ben noti per le loro applicazioni nelle memorie non volatili4 e nei sensori elettrici5, e le loro applicazioni sono state estese alle aree del fotovoltaico ferroelettrico per l'efficiente raccolta di energia rinnovabile6 e dei dispositivi sinaptici per il potente calcolo neuromorfico7. Recentemente, la ricerca sui ferroelettrici è stata ampliata ai limiti bidimensionali (2D) con prestazioni distinte8,9,10, compresi i ferroelettrici perovskite allo spessore della cella unitaria11,12, ferroelettrici a strato singolo con nel piano o fuori piano polarizzazione13,14 e ferroelettrici moiré 2D secondo lo stacking di van der Waals15,16.

Normalmente i materiali ferroelettrici sono composti costituiti da due o più elementi costitutivi diversi1,2. La ridistribuzione degli elettroni durante la formazione del legame chimico rinormalizza istantaneamente gli orbitali di valenza e produce i centri anionici e cationici. Un'ulteriore distorsione relativa, scorrimento o trasferimento di carica tra i centri di carica positiva e negativa in una cella unitaria produce l'ordinamento dei dipoli elettrici per sostenere la ferroelettricità17,18,19. Al contrario, poiché gli atomi in una cella unitaria di una sostanza elementare sono identici, sembra difficile che si formino spontaneamente un dipolo elettrico ordinato o addirittura una polarizzazione ferroelettrica. Anche la realizzazione della ferroelettricità a elemento singolo manca finora di dimostrazione sperimentale. Tuttavia, gli elementi situati tra metalli e isolanti nella tavola periodica mostrano capacità di legame flessibili per adottare diversi stati in un sistema, come gli atomi Sn nella struttura a nido d'ape 2D Sn2Bi mostrano stati binari20,21. Anche nel boro elementare, si è scoperto che la ionicità con trasferimento di carica inter-sottoreticolo deriva dalle diverse configurazioni di legame in ciascun sottoreticolo (B12 e B2)22. Il sottile equilibrio tra gli stati metallici e isolanti in questi elementi è facile da spostare dai diversi ambienti sottoreticolari in modo che entrambi gli stati possano essere realizzati simultaneamente in una cella unitaria, offrendo la possibilità di produrre cationi e anioni in una cella unitaria per ottenere ferroelettricità in materiali degli elementi. Recentemente, alcuni lavori teorici sono stati dedicati all'esplorazione della polarità del singolo elemento o ferroelettricità nel Si elementare (rif. 23), P (rif. 24,25), As (rif. 25), Sb (rif. 25,26), Te (rif. 27) e Bi (rif. 25,26). In particolare, Xiao et al. ha previsto che la famiglia di materiali a elemento singolo del gruppo V in una forma 2D di van der Waals28, ovvero il monostrato As, Sb e Bi nella struttura anisotropa in fase α, hanno uno stato fondamentale non centrosimmetrico per supportare sia i cationi che anioni in una cella unitaria e producono polarizzazione ferroelettrica nel piano lungo la direzione della poltrona.