伊丽莎白·阿
汤姆森，麻省理工学院材料研究实验室 艺术家对麻省理工学院研究人员和同事开发的新铁电材料的纳米结构的表现
蓝色和金色的点代表两个原子级氮化硼薄片中的硼和氮原子
在这些薄片之间是两层石墨烯；白色/蓝色的点代表碳原子
贯穿图形的金色垂直线代表电子的运动
信用:艾拉·马鲁工作室示意图 麻省理工学院的研究人员和同事们发现了石墨烯的一个重要的——也是意想不到的——电子性质，这种材料仅在大约17年前才被发现，并以其有趣的物理性质继续让科学家们感到惊讶
这项工作涉及由原子般薄的生物相容性材料层组成的结构，可能会带来新的、更快的信息处理范例
一个潜在的应用是神经形态计算，其目的是复制身体中负责从行为到记忆的所有事情的神经元细胞
这项工作还介绍了研究人员渴望探索的新物理学
“基于石墨烯的异质结构继续产生令人着迷的惊喜
麻省理工学院的塞西尔和艾达·格林物理学教授巴勃罗·贾里罗-赫雷罗说:“我们在这个简单的超薄系统中观察到的非常规铁电现象挑战了许多关于铁电系统的普遍假设，它可能为新一代铁电材料铺平道路。”他是这项工作的领导者，这项工作涉及到与麻省理工学院其他三个系的五名教员的合作
一个新的财产 石墨烯由单层碳原子组成，排列成六边形，类似蜂窝结构
自从这种材料被发现以来，科学家们已经表明不同结构的石墨烯层可以产生多种重要的性质
基于石墨烯的结构可以是超导体，它可以无电阻导电，也可以是绝缘体，它可以阻止电的运动
人们甚至发现它们具有磁性
在去年12月发表在《自然》杂志上的最新研究中，麻省理工学院的研究人员和同事表明双层石墨烯也可以是铁电的
这意味着材料中的正电荷和负电荷可以自发地分成不同的层
在大多数材料中，相反的电荷相互吸引；他们想结合
只有施加电场才能迫使它们向相反的方向运动，或者说向两极运动
在铁电材料中，不需要外部电场来保持电荷分离，从而产生自发极化
然而，外部电场的应用确实有一个效果:相反方向的电场将导致电荷交换侧和反向极化
郑智仁(艾萨克)举着一个由麻省理工学院的研究人员和同事创造的新铁电结构的样品(郑智仁头顶上方有金色边缘的黑色小方块)
金结构是研究人员用来测量新铁电结构的无冷冻剂稀释冰箱的内部
荣誉:麻省理工学院塞尔吉奥·德拉巴雷拉 出于所有这些原因，铁电材料被用于各种电子系统，从医学超声波到射频识别(RFID)卡
然而，传统的铁电体是绝缘体
麻省理工学院领导的团队基于石墨烯的铁电体通过一种完全不同的机制——不同的物理——来工作，这使得它能够导电
这开启了无数的额外应用
“我们在这里发现的是一种新型的铁电材料，”麻省理工学院物理学研究生、《自然》杂志论文第一作者郑说
马琼，麻省理工学院博士
D
2016年，该论文的合著者和波士顿学院的助理教授对这项工作进行了展望
“人们一直在努力克服与传统铁电体相关的挑战
例如，随着器件继续小型化，铁电相变得不稳定
有了我们的材料，其中一些挑战可能会自动解决
”马目前通过麻省理工学院材料研究实验室(MRL)进行博士后研究
重要模式 该团队创建的结构由两层石墨烯组成——双层——夹在上下原子级薄氮化硼层之间
每个氮化硼层与另一层的角度略有不同
从上面看，结果是一种叫做莫尔超晶格的独特图案
郑说，云纹图案“可以极大地改变材料的性质”
杰瑞罗-赫雷罗的团队在2018年展示了一个重要的例子
这项工作也发表在《自然》杂志上，研究人员堆叠了两层石墨烯
然而，这些层并不完全在彼此之上；相反，一个以1°的“神奇角度”轻微旋转
1度
最终的结构产生了云纹图案，这反过来使石墨烯成为超导体或绝缘体，这取决于电场在系统中提供的电子数量
根据当时麻省理工学院的一则新闻报道，该团队基本上能够“调整石墨烯，使其在两个极端的电条件下工作”
“所以通过创造这种莫尔结构，石墨烯不再是石墨烯了
它几乎神奇地变成了非常非常不同的东西，”马说
在目前的工作中，研究人员用石墨烯和氮化硼薄片制作了一个云纹图案，从而产生了一种新形式的铁电体
电子在结构中运动所涉及的物理学不同于传统的铁电体
“麻省理工学院团队展示的铁电性很吸引人，”哈佛大学物理学和应用物理学教授菲利普·金说，他没有参与这项研究
“这项工作是第一个报道纯电子铁电性的演示，它显示了电荷极化，而在下面的晶格中没有离子运动
这一惊人的发现肯定会引发进一步的研究，这些研究可以揭示更令人兴奋的新现象，并提供一个将它们用于超快记忆应用的机会
" 研究人员的目标是继续这项工作，不仅展示新材料在各种应用中的潜力，而且加深对其物理的理解
“仍有许多我们没有完全理解的谜团，从根本上来说非常有趣，”马说
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