8月28日，物理学院付英双团队（低维物理与量子材料实验室）在二维单质电极化的研究领域中取得最新进展。相关的研究成果以“二维碲薄膜中的自发面内电极化的直接观测（Direct observations of spontaneous in-plane electronic polarization in two-dimensional Te films）”为题，在凝聚态物理领域的国际核心学术期刊《先进材料》（Advanced Materials）上在线发表。物理学院博士生张志豪（已毕业）为论文第一作者，张文号副教授和付英双教授为论文的通讯作者。华中科技大学物理学院为成果的第一完成单位，中国科学技术大学的曾华凌教授合作参与了相关工作。
随着纳米电子学的发展，具有稳定和可切换电偶极矩的二维材料成为了研究热点。这些材料在存储器、传感器、逻辑器件等领域展现出巨大的应用潜力。然而，大多数二维材料在极薄状态下难以维持稳定的极化状态，限制了其在高性能电子器件中的应用。但大多数铁电体通常由不同元素形成的正负电荷中心组成，这不可避免地会在极性翻转的过程中导致成分和元素偏析。而单质铁电材料将最大限度地减少元素偏析，并增强结构的稳健性。因此，获得可靠的单质极性是非常有意义的，但却具有很大的挑战性。
最近，理论预测指出在 Ⅴ 族（P、As、Sb、Bi）材料中存在二维单质铁电体，并在2023年在单层类黑磷 Bi中被实验证实。遗憾的是，铋是一种无带隙、高活性的半金属，存在环境不稳定和电路中漏电流严重的重大缺陷。此外，V 族材料的自发极化只能局限于单层形式，对外界环境非常敏感。因此，十分有必要寻找稳定的极性单质半导体。碲（Te）是一种具有窄带半导体特性的单质材料，在空气中表现出稳定的性能，并具备包括光导性、热电性和压电性等多功能特性。最新的理论表明：Te多层薄膜中有可能存在自发电极化，但尚未有实验证实。
本研究中，付英双团队利用低温扫描隧道显微镜/谱学（STM/STS）测量方法，在纳米尺度上系统地研究了单质Te多层膜中的自发电极化。首先，研究团队采用分子束外延（MBE）技术，精确控制生长条件，成功制备了原子级薄的Te薄膜。通过原子分辨的STM成像，观测到了第二层Te原子的位置分布，发现它偏离了中心位置，证实了α-Te结构的中心对称性破缺。考虑到薄膜中由于电荷累积而产生平面内的电荷极化现象，这种极化在空间分辨的二维电导线谱和电导成像中，表现为岛边的能带弯曲行为，并且在相反的极化边界上存在反向的能带弯曲趋势，能带弯曲方向取决于电荷的极性。进一步确定了自发电极化的方向，是沿着垂直Te螺旋链的b轴方向，且是位于面内的。
此外，Te多层薄膜和石墨烯衬底之间由于存在不同转角可能会形成不同周期的条形莫尔超晶格。有意思的是，这些莫尔超晶格可以通过累积极化电荷，结合能带弯曲效应，在极化边界附近被有效调控，这可以通过不同偏压STM图像中的表观高度和原子分辨体现出来。这意味着电子极化对Te-石墨烯界面的摩尔纹超晶格有显著影响，能够通过极化边缘处累积的电荷来有效调节摩尔纹结构。
图1：Te多层薄膜的中心对称性破缺结构
值得注意的是，该工作不仅研究了不同厚度Te膜的自发电极化，还研究了在高定向热解石墨（HOPG）和单层MoSe2衬底上生长的Te多层薄膜的自发电极化，发现这种自发电极化现象并非局限于特定条件，在不同层厚和衬底上均能观察到类似现象，只是极化强度存在差异。这一普遍性表明，自发电极化是Te膜的一种固有特性，不受薄膜厚度和外延衬底的限制。由于 Te 薄膜是一种易于合成且在空气中稳定存在的优良半导体，这种显著的鲁棒性和普适性为具有高性能铁电性器件的小型化提供了有利条件。
图2：Te多层薄膜的电极化性质
该研究首次在单元素二维碲薄膜中直接观察到了自发的平面内电子极化现象，其固有的手性结构和多价特性有利于铁电性的出现。一系列精密实验进一步验证了这一现象的普遍性和鲁棒性。这项研究不仅为理解低维材料的极化特性提供了新的视角，也为开发新型微电子器件提供了潜在的材料选择。工作得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金（重大计划、面上、区域联合）、湖北省自然科学基金和武汉市知识创新专项等项目的资助。
论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202405590
