二维形式的钨二碲化物充满惊喜

公众可能会认为21世纪是一个革命性技术平台的时代，如智能手机或社交媒体。但对于许多科学家来说，本世纪是另一种平台的时代：二维材料及其意想不到的秘密。

这些 2-D材料 可以在结晶片中制备，如单个单层薄，只有一个或几个原子厚。在单层内，电子受限于它们如何移动：像棋盘游戏中的碎片一样，它们可以从前到后，从一侧到另一侧或对角线移动 - 但不能向上或向下移动这种约束使单层膜在功能上是二维的。

二维领域揭示了量子力学预测的属性 - 基于概率波的规则构成了所有物质行为的基础。自 2004年首次推出石墨烯(第一个单层)以来 ，科学家已经分离出许多其他二维材料，并证明它们具有独特的物理和化学特性，可以改变计算和电信等领域。

对于由华盛顿大学科学家领导的团队来说，一种金属化合物的二维形式 - 钨二碲化物，或WTe 2 - 是一大堆量子揭示。在“ 自然 ”杂志在线发表的 一篇 论文中 ，研究人员报告了他们关于WTe 2的最新发现：它的2-D形式可以进行“铁电转换”。他们发现当两个单层结合在一起时，由此产生的“双层”形成了自发的电极化。 。可以通过施加的电场在两个相反的状态之间翻转该极化。

“在这种二维材料中发现铁电转换是一个完全的惊喜，”资深作者，物理学教授大卫科布登说 。“我们并没有寻找它，但我们看到了奇怪的行为，在对其性质做出假设之后，我们设计了一些实验证明它很好。”

具有铁电性质的材料可以应用于存储器，电容器，RFID卡技术甚至医疗传感器。

“将铁电体视为大自然的转变，”科布登说。“铁电材料的极化状态意味着材料内部的电荷分布不均匀 - 当发生铁电转换时，电荷一起移动，而不是像基于晶体管的人工电子开关那样。”

UW团队 从其三维结晶形式创建了WTe 2单层膜，该结构由 橡树岭国家实验室的Jiaqiang Yan和诺克斯维尔田纳西大学的赵志英共同种植 。然后，UW团队在无氧隔离箱中工作以防止WTe 2 降解，使用透明胶带 从晶体中剥离薄片WTe 2 - 这种技术被广泛用于分离石墨烯和其他2-D材料。通过隔离这些板材，他们可以测量它们的物理和化学性质，从而发现铁电特性。

WTe 2 是第一种经过铁电转换的剥落2-D材料。在此发现之前，科学家们只看到了电绝缘子中的铁电开关 。但是WTe 2不是电绝缘体; 它实际上是一种金属，虽然不是很好。Cobden表示 ，与许多传统的3-D铁电材料不同，WTe 2还可以在室温下保持铁电开关，并且其开关可靠并且不会随着时间的推移而降低。这些特性可使WTe 2 成为比其他铁电化合物更小，更强大的技术应用的有前途的材料。

“我们在WTe 2中看到的物理特性的独特组合 提醒人们，在二维材料中可以观察到各种新现象，”科布登说。

铁电转换是Cobden和他的团队对单层WTe 2进行的第二次重大发现。在2017 年自然物理学论文中 ，该团队报告称这种材料也是一种“拓扑绝缘体”，这是具有这种奇特性质的第一种二维材料。

在拓扑绝缘体中，电子的 波函数 - 它们的量子力学状态的数学总结 - 具有一种内置的扭曲。由于难以消除这种扭曲，拓扑绝缘体可以应用于量子计算 - 这一领域旨在利用电子，原子或晶体的量子力学特性来产生比当今技术指数级更快的计算能力。UW团队的发现也源于David J. Thouless开发的理论 ，他是一位物理学荣誉退休教授， 分享2016年诺贝尔物理学奖 ，部分原因是他在二维领域的拓扑学研究。

科布登和他的同事计划继续探索单层WTe 2 ，看看他们还能学到什么。

“到目前为止，我们对WTe 2所测量的所有内容 都有一些惊喜，”科布登说。“想想下一步我们会发现什么是令人兴奋的。”