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⻆，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。
中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中⼼表⾯物理国家重点实验室陈岚研究员和吴克辉研究员课题组（SF09组）⻓期聚焦于单质⼆维材料的⽣⻓和物性调控，特别在硅烯和硼烯⽅⾯获得了⼀系列国际领先的研究成果。
最近，他们与新加坡国⽴⼤学物理系的Andrew Wee教授和苟健博⼠（原SF09组博⼠⽣）、以及浙江⼤学物理学院陆赟豪教授理论课题组合作，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。
研究⼈员在具有⽯墨表⾯上⽣⻓制备了⾼质量的单层BP-Bi样品，由于⽯墨表⾯与BP-Bi之间为较弱的范德华相互作⽤，使得BP-Bi能保持本征特性，便于后续原⼦级物性表征和调控。利⽤qPlus原⼦⼒显微镜对BP-Bi进⾏实空间成像，并结合开尔⽂探针显微镜（KPFM）测量，分别确定了BP-Bi的翘曲原⼦构型以及⼦晶格之间的电荷重整化，因⽽证实了单层BP-Bi存在⾯内有序电偶极矩排列。
结合理论计算，他们发现BP-Bi的原⼦结构翘曲程度决定了铁电极化，同时也影响了材料的基本能带结构，从⽽在BP-Bi中造就了电⼦结构和铁电极化之间相互锁定的奇异现象。这种新型铁电性的发现，为利⽤外电场调控铁电畸变对材料的其它新奇性质进⾏调控提供了⼀种可能。进⼀步，他们利⽤扫描探针产⽣的⾯内电场对BP-Bi的电极化成功进⾏了翻转操作，这正是⾮易失性存储器件实现数据写⼊的功能基础。
该⼯作⾸次在实验中展示了⼆维铋结构中的单质离⼦性、单质⾯内极化和单质铁电性，改变了离⼦极化仅存在于带有阳离⼦和阴离⼦化合物中的传统观念，并拓展了未来铁电材料的研究范围。单质铁电极化的发现为单质材料的基本物性研究添加了新的切⼊⻆度，为新型铁电材料的研究和设计带来新视⻆，并启发未来单质材料中新物理的发现和研究。
该成果以“Two-dimensional ferroelectricity in a single-element bismuth monolayer”为题发表于《⾃然》（Nature）上，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。
相关⼯作获得新加坡国家基⾦委、中国国家⾃然科学基⾦、科技部重点研发计划、中国科学院战略性先导科技专项、浙江省⾃然科学基⾦、中国科学院基础研究⻘年科学家研究项⽬的⽀持。