清華大學(xué)物理系季帥華助理教授和陳曦教授團(tuán)隊(duì)合作，在鐵電薄膜方面取得重要進(jìn)展，相關(guān)成果《原子級(jí)厚度碲化錫薄膜面內(nèi)鐵電性的發(fā)現(xiàn)》發(fā)表在2016年7月15日出版的《科學(xué)》雜志上。荷蘭格羅寧根大學(xué)Bart J. Kooi教授和 Beatriz Noheda教授對(duì)這項(xiàng)工作做了同期的評(píng)論和展望。
二維材料展現(xiàn)出非常豐富的對(duì)稱(chēng)破缺量子現(xiàn)象。在單原胞二維極限厚度下，晶格、超導(dǎo)、磁性和電荷密度波等有序態(tài)都已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)，然而單原胞極限下的鐵電序還一直沒(méi)有被發(fā)現(xiàn)。鐵電體是破壞了空間反演對(duì)稱(chēng)性的長(zhǎng)程有序態(tài)，在臨界轉(zhuǎn)變溫度之下出現(xiàn)自發(fā)極化。通常鐵電薄膜的鐵電轉(zhuǎn)變溫度會(huì)隨著厚度的降低而降低，和襯底的相互作用甚至?xí)?dǎo)致鐵電性的消失，所以原子級(jí)厚度鐵電薄膜樣品的制備和的探測(cè)都存在較大的困難。
物理系博士生常凱等同學(xué)成功利用分子束外延技術(shù)制備出了高質(zhì)量、原子級(jí)厚度的SnTe薄膜，并利用掃描隧道顯微鏡（STM）觀(guān)測(cè)到鐵電疇、極化電荷引起的能帶彎曲，以及STM針尖誘導(dǎo)的極化翻轉(zhuǎn)，證明了單原胞厚度的SnTe薄膜存在穩(wěn)定的鐵電性。
實(shí)驗(yàn)表明該二維鐵電體的臨界轉(zhuǎn)變溫度高達(dá)270 K，遠(yuǎn)高于體材料的98 K，相變臨界指數(shù)β為0.33。他們還發(fā)現(xiàn)2～4個(gè)原胞厚度的SnTe 薄膜具有更高的臨界溫度，其鐵電性在室溫下仍然存在。分析表明，量子尺度效應(yīng)引起的能隙增大、高質(zhì)量薄膜中缺陷密度以及載流子濃度的降低，是鐵電增強(qiáng)的重要原因。同時(shí)，薄膜厚度的降低導(dǎo)致面內(nèi)晶格增大在鐵電性增強(qiáng)上起到部分作用。具有面內(nèi)極化方向的SnTe鐵電薄膜在電子器件方面有著潛在的廣泛應(yīng)用前景。
