近日，我校合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心曾華凌教授課題組和云南師范大學(xué)付召明教授課題組合作在二維鐵電撓曲電效應(yīng)研究中取得新進展，演示了一種任意雙向的鐵電極化力學(xué)調(diào)控技術(shù)，為二維極限下鐵電物性的操控提供了普適手段。相關(guān)研究成果于5月29日以“Reversible flexoelectric domain engineering at the nanoscale in van der Waals ferroelectrics”為題在線發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《自然·通訊》上(Nat. Commun.15,4556(2024))。
近年來，二維鐵電物性研究取得了巨大進展，為開發(fā)二維功能電子器件提供了機遇。然而，對于具有原子尺度厚度的二維鐵電體而言，在二維極限下所施加的面外方向電場將不可避免地導(dǎo)致樣品中產(chǎn)生巨大的漏電流乃至材料擊穿，亟需發(fā)展電場之外的極化調(diào)控替代方案。針對這一問題，曾華凌課題組在前期的研究中，通過襯底應(yīng)力工程首次探索了撓曲電效應(yīng)在二維鐵電材料中調(diào)控鐵電極化的可行性（Nano Lett.22, 3275（2022））。撓曲電效應(yīng)指的是晶體在施加不均勻應(yīng)變時會在內(nèi)部所形成凈電極化，該效應(yīng)不受限于晶格對稱性，適用于所有材料，已被用于產(chǎn)生眾多的奇異現(xiàn)象。
以往研究表明，在施加撓曲調(diào)控的方法中，由于能夠動態(tài)局域地施加和調(diào)節(jié)應(yīng)變梯度大小，基于原子力顯微鏡的針尖壓印技術(shù)是目前使用最廣泛的一種方法。針尖壓印可以在納米尺度上引入大于107 m-1的應(yīng)變梯度，已被用于調(diào)控材料的眾多物理性質(zhì)，如電子結(jié)構(gòu)、輸運行為和光電轉(zhuǎn)換等。然而，到目前為止，基于針尖的撓曲電調(diào)控在鐵電材料中的廣泛應(yīng)用遠沒有達到預(yù)期。一個可能的原因在于，這種方式中電極化的力學(xué)切換路徑通常僅限于固定單一方向（如圖1所示），故無法實現(xiàn)對鐵電極化的雙向翻轉(zhuǎn)，是目前普適應(yīng)用針尖調(diào)控鐵電極化的主要障礙。
有鑒于此，曾華凌課題組基于二維材料中天然的機械柔性，以超薄層狀鐵電CuInP2S6為模型體系，發(fā)展了無損、可逆的純力學(xué)極化調(diào)控普適手段。如圖1所示，在針尖壓印下，二維材料因其良好的柔性，相較于體相材料將在更大區(qū)域的上產(chǎn)生形變，其柔性形變區(qū)域大于針尖尺寸。這種拓展的柔性形變帶來了數(shù)十納米空間尺度上可控的雙向應(yīng)變梯度，所產(chǎn)生的撓曲電場能夠打破電偶極矩之間長程庫侖相互作用的空間限制，從而實現(xiàn)鐵電極化的雙向穩(wěn)定翻轉(zhuǎn)，為可逆調(diào)控鐵電極化提供了原理基礎(chǔ)。
圖1：二維材料中鐵電極化力學(xué)雙向調(diào)控策略演示。 (a-b)三維和二維鐵電體中針尖誘導(dǎo)的撓曲電效應(yīng)示意圖。(c)二維鐵電體中針尖誘導(dǎo)產(chǎn)生的拓展形變。(d)根據(jù)拓展形變計算所得的雙向應(yīng)變梯度空間分布。
基于以上電極化力學(xué)雙向調(diào)控策略，團隊設(shè)計了如圖2所示的實驗方案，在二維CuInP2S6中基于針尖技術(shù)產(chǎn)生了可控的應(yīng)變梯度并量化其大小，通過使用彈性襯底，實現(xiàn)了無外電場下無損的純力學(xué)鐵電極化調(diào)控。基于原子力顯微鏡，這種納米尺度的撓曲電調(diào)控可以反復(fù)實施，進而實現(xiàn)高密度鐵電納米疇的純力學(xué)寫入和擦除。團隊演示了在1平方微米區(qū)域內(nèi)可控生成橫向尺寸小至約80納米的鐵電納米疇，等價實現(xiàn)了相當于31.4 Gbit/inch?的存儲密度。研究所取得的進展填補了傳統(tǒng)鐵電極化撓曲調(diào)控技術(shù)的短板，使得純力學(xué)調(diào)控能實現(xiàn)電極化的雙向任意操控，同時也實現(xiàn)了納米尺度下高撓曲場的可控產(chǎn)生，為定量研究二維體系中撓曲場調(diào)制電子結(jié)構(gòu)及相關(guān)物性提供了基礎(chǔ)。
圖2.二維CuInP2S6中可逆無損撓曲電調(diào)控的演示。(a)瞬態(tài)撓曲電操控技術(shù)示意圖。樣品在彈性限度內(nèi)通過針尖壓印產(chǎn)生形變，極化通過撓曲電效應(yīng)進行切換。撤去針尖后，樣品形貌恢復(fù)，而翻轉(zhuǎn)的電極化得以保持。(b-c)瞬態(tài)撓曲電操控前后的樣品形貌及統(tǒng)計。(d-g)鐵電納米疇的雙向力學(xué)可控寫入。
中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心博士研究生柳衡和賴清琳為本論文的共同第一作者。這項研究得到了中國科學(xué)院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團隊計劃、科技創(chuàng)新2030重大項目、國家自然科學(xué)基金和中央高校基本科研業(yè)務(wù)費等科研項目的支持。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-48892-z
（合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心、物理學(xué)院、科研部）
