铁电性是指在某些材料中表现出的一种自发电极化现象，这种极化可以通过施加外部电场进行翻转操作。由于铁电相可以受电场控制，在数据存储领域具有潜在的应用价值，引起了广泛的研究关注。除此之外，其压电、热电和非线性光学特性在新能源、微电子和光学器件等领域也得到了广泛开发。近年来，二维铁电材料作为神经形态突触器件领域的新型竞争者崭露头角，展示了二维材料低维度的优势。铁电材料通常由两种或多种不同元素的原子构成，元素之间的电子得失促成晶体中正离子和负离子的形成，而晶格的畸变或电荷有序化导致中心对称性破缺，从而使电子重新分布产生正负电荷中心分离，导致电偶极子的出现，促进了铁电极化的形成。在人们的传统认知中，单质由于原子的同质性似乎难以产生铁电极化。
浙江大学物理学院(硅材料国家重点实验室)陆赟豪教授课题组长期聚焦于单质二维材料物性调控的机理研究，特别是在二维五族体系的电荷序和拓扑序方面获得了一系列研究成果，通过第一性原理计算，在类黑磷结构的二维铋（BP-Bi）中发现了全新的单质铁电态，打破了人们对铁电性的传统认知，但一直缺乏实验证据。
近日，陆赟豪教授课题组和来自新加坡国立大学，中科院物理所等机构的学者合作，在黑磷结构的半金属单质铋烯（Bi）中，观察到了具有各向异性的s-p轨道杂化会导致中心反演破缺和电荷的重新分布，进而产生面内极化。通过扫描探针显微镜施加面内电场可以观测到单层铋烯的铁电极化翻转，并且在180°尾对尾畴壁上观测到了反常的电势曲线。理论计算发现Bi中6s-6p轨道之较弱的sp2杂化使得近邻的子晶格中出现了翘曲并破坏了体系的中心反演，这是由于B子晶格的电子向A子晶格发生转移并导致的。除了180°头对头的畴界，作者还在单层铋烯中观察到与之对应的180°尾对尾的畴界。该畴界宽度更宽约为56埃，并且出现了价带导带不协调的弯曲。利用Landau–Ginzburg–Devonshire理论，并且引入库伦屏蔽和原子翘曲程度引起的电子结构变化两个条件，计算复现了实验一致的反常能带翘曲结果。这一结果说明了铋烯体系中电子结构和铁电形变之间的关联。单质铁电的出现拓宽了铁电产生的机制，并且有望在为未来应用于铁电电子器件中。
该成果以“Two-dimensional ferroelectricity in a single-element bismuth monolayer”为题发表于《自然》（Nature）上。论文理论计算工作主要由浙江大学物理学院博士后白桦（已出站）和材料科学与工程学院博士生张渲琳完成。论文的第一作者和通讯作者为新加坡国立大学物理系博士后苟健，中科院物理所陈岚研究员、浙江大学物理学院(硅材料国家重点实验室)陆赟豪教授、新加坡国立大学物理系Andrew Thye Shen Wee教授为共同通讯作者。该工作得到了科技部重点研发海外合作专项、国家自然科学基金、浙江省自然科学基金等项目支持。
