科学家证实二维单质材料也具有铁电性，为铁电材料的研究和应用提供新思路

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化合物普遍存在于人们的日常生活中。不管是水这种支撑生命运转的基础物质，还是铁电材料等常用材料，都是由两种或两种以上不同的元素组成的。

就常见的铁电材料而言，其主要应用于电传感器、非易失性存储器等领域中，并逐渐向铁电光伏、突触器件等领域扩展。这类材料本身至少具有两种阴阳离子，才能对外界的电场产生响应，以维持铁电性。

由于二维铁电材料比三维铁电材料更接近于实际应用，因此该领域内的研究人员，正在越来越多地将目光聚焦到二维材料上，并对平面内或平面外极化的单层铁电体、单胞厚度的钙钛矿铁电体等材料开展广泛的研究。

除此之外，在对单质硅、磷、砷等半导体元素进行大量理论探索的基础上，研究人员认为单质材料也同样具备铁电性。不过，他们却始终无法通过实验完成进一步的证明。

近期，来自新加坡国立大学、中科院物理所、浙江大学等团队的研究者，在二维单质的铁电性研究方面取得了重要进展。

他们通过实验观察到，二维单质铋单层中出现的面内极化现象以及其中的铁电极化翻转，证明了在单质材料中实现铁电极化的能力。同时，因为二维单质铋单层中存在 P 型本征掺杂，所以他们还在 180° 尾-尾畴壁结构中观察到了异常的电势分布。

据该论文第一作者兼共同通讯作者、新加坡国立大学博士后苟健介绍，研究团队从 2019 年开始做实验。为了寻找实验证据，他们面临了诸多难题和挑战，最终从不同的角度一一找出了能够证明二维单质铋单层是铁电材料的证据。

通过这项基础研究，该团队发现单质材料中也存在极化现象，这从根本上改变了所在领域对单质材料的认知。并且，该成果在拓宽铁电性质机理的同时，也有助于拓展二维铁电材料的种类库，能为未来铁电材料的发现、研究和应用提供一些全新的思路。

图丨二维单质铋单层的非中心对称结构（来源：Nature）

苟健为该论文的第一作者兼共同通讯作者（目前已加入浙江大学物理学院，任研究员），中国科学院物理研究所陈岚研究员、浙江大学陆赟豪教授和新加坡国立大学黄载贤（Andrew T.S. Wee）教授担任论文的共同通讯作者。

目前，该团队针对铋材料上的一些新现象仍然在进行探究。同时，由于他们发现面内极化的二维结构，会对表面局域的应力产生明显的响应，因此他们也会进一步探究极化位点相关的现象。

图丨从左到右：陆赟豪、陈岚、苟健（来源：苟健）

苟健表示，化合物本身非常重要，它让物质的种类更加丰富，其中一个原因是，构成它的多种元素能够产生两种荷电共轭的粒子，而这就像谍战电影里面会有正反两派一样，是一场大戏不可或缺的基本要素。

“在谍战片中，只有正反两派此起彼伏地开展激烈的斗争，才有可能抓住观众的注意力，引发观众观影的兴趣。我们这项研究的突破性在于，里面只有‘正派’，没有‘反派’，但却同样可以构成一个精彩绝伦的故事。”他说。

参考资料：

1.Gou, J., Bai, H., Zhang, X. et al. Two-dimensional ferroelectricity in a single-element bismuth monolayer. Nature 617, 67–72 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-05848-5

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