研究背景及結果

近期二維鐵電材料所具有的面內(nèi)或面外鐵電性已在實驗中得到了證實，為開發(fā)原子尺度的功能電子器件提供了機遇。然而要實現(xiàn)二維鐵電材料的器件化應用，關鍵步驟在于如何有效地進行鐵電極化及鐵電疇結構的大規(guī)模均勻調(diào)控。但現(xiàn)階段在二維材料極限厚度下利用外電場進行鐵電疇工程的方法，不可避免地導致大的漏電流甚至材料擊穿等問題。

近日中國科學技術大學微尺度物質科學研究中心曾華凌教授和云南師范大學付召明副教授，利用機械調(diào)控手段（撓曲電效應），在無外電場條件下，成功實現(xiàn)對二維鐵電材料（CulnP₂S₆）構建大尺度均勻人工鐵電疇，其單疇橫向尺寸可達數(shù)百微米。這項研究不僅為二維鐵電材料電極化調(diào)控提出了一種普適途徑，也體現(xiàn)出原子尺度二維鐵電材料未來應用于柔性電子器件開發(fā)及大規(guī)模生產(chǎn)潛力。相關研究成果發(fā)表于Nano Letters。

實驗思路

對鐵電極化進行撓曲電調(diào)控的關鍵在于施加足夠大的應變梯度，而應變梯度往往與材料的維度和尺寸成反比。得益于二維層狀鐵電材料所具有的良好柔性，研究團隊通過在襯底應力工程在少層CulnP₂S₆中引入了高曲率的形變，從而實現(xiàn)了巨大的局域應變梯度(~106 m^-1)。

利用原位壓電力顯微鏡(PFM)的測量，他們觀察到了體系中形成了條紋狀的鐵電疇，且形成的條紋疇具有極高的空間均勻性。這一結果表明，襯底應力工程在納米尺度下可有效地調(diào)節(jié)CulnP₂S₆樣品中整體的極化狀態(tài)。借助這種撓曲電效應，人工條紋疇可以在數(shù)百微米的尺度上生成。在這項研究中，由于CulnP₂S₆中的條紋疇源于應力襯底的周期性，故通過有效控制襯底的波紋周期，可以實現(xiàn)CulnP₂S₆中鐵電條紋疇密度的調(diào)控。

圖1二維CulnP₂S₆中大尺度鐵電疇的人工構建。

（a）周期性襯底應力工程流程示意圖。

（b）大尺寸波紋狀二維CulnP₂S₆的光學圖片，插圖為選區(qū)PFM相位圖。

在微觀上， CulnP₂S₆中撓曲電效應調(diào)控電極化的行為可以使用不對稱的畸變Landau-Ginzburg-Devonshire（LGD）雙勢阱模型進行解釋?；诘谝恍栽碛嬎?，研究團隊得到了CulnP₂S₆的勢能分布圖，發(fā)現(xiàn)在平坦CulnP₂S₆的勢能分布圖中，對Cu+離子的面外方向遷移而言具有對稱的雙勢阱，電極化具有簡并的基態(tài)。

在彎曲的CulnP₂S₆中，引入的應變梯度打破了這一雙勢阱結構的對稱性，從而實現(xiàn)電極化的選擇性調(diào)控。為了進一步理解彎曲應變對Cu+離子極化位移的調(diào)控，研究者還對比了相同波紋結構CulnP₂S₆中條紋疇和非條紋疇的總能。根據(jù)計算結果，條紋疇的相對穩(wěn)定性隨著波紋CulnP₂S₆曲率的增加而提高。

圖2 基于第一性原理計算獲得的雙勢阱結構的勢能曲線。

（a）彎曲的CulnP₂S₆具有不對稱勢能分布圖。

（b）平整的CulnP₂S₆具有對稱勢能分布圖。

研究團隊通過襯底應力工程，在二維CulnP₂S₆中成功地引入了巨大的應變梯度，在無外電場條件下，利用撓曲電效應實現(xiàn)了體系中鐵電極化狀態(tài)的調(diào)控，并演示了大尺度上人工鐵電條紋疇的構筑。結合第一性原理計算，他們通過不對稱的畸變LGD雙阱模型揭示了二維CulnP₂S₆中撓曲電效應調(diào)控鐵電極化的內(nèi)在機制。

儀器使用評價

這項研究中我們使用了HORIBA LabRAM HR Evolution激光拉曼光譜儀和SmartSPM 1000原子力顯微鏡。（點擊查看更多產(chǎn)品詳情）

拉曼光譜儀配置了100倍的物鏡，使用功率為150μW 的532nm激光，研究中主要用于驗證CulnP2S6的晶格結構。這款拉曼光譜儀的高光譜分辨率和超快速共焦成像功能，可以幫助我們確認所使用的CulnP₂S₆樣品的拉曼特征模式與單晶CulnP2S6完全一致。

另一方面我們使用原子力顯微鏡在近共振增強模式下對CulnP₂S₆的鐵電疇進行PFM測量。在針尖-樣品的諧振頻率（~270kHz）下，用1V的交流電壓驅動鍍有Pt/Ir的軟針尖。

在本研究中需要進行PFM測量的CulnP₂S₆樣品在波紋PDMS襯底上，由于襯底具有較大的柔性，且CulnP₂S₆的條紋疇周期較小，因此需要精確度和穩(wěn)定性都比較高的測量儀器。

SmartSPM 1000原子力顯微鏡不僅操作簡便、有多種測量模式，還可以實現(xiàn)高分辨率的掃描，幫助我們在微觀尺度上觀察到CulnP₂S₆的條紋疇，證明我們在無外場條件下成功構建大尺度均勻的人工鐵電疇。同時其獨有的PFM-Top Mode減少了針尖與樣品接觸的時間，從而降低了針尖對樣品破壞的風險。

課題組配備的激光拉曼光譜儀和原子力顯微鏡

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課題組簡介

曾華凌教授，中國科學技術大學，微尺度物質科學研究中心

主要研究方向為低維物理系統(tǒng)中新奇物理現(xiàn)象的實驗探索，具體包括低維材料中的電子態(tài)結構研究及量子態(tài)調(diào)控、新型二維半導體的探索及光電性質研究、基于NV色心光磁共振譜的量子測量和納米光學等。

文獻信息

原文標題：

Large-Scale Domain Engineering in Two-Dimensional Ferroelectric CuInP₂S₆ via Giant Flexoelectric Effect

發(fā)表期刊：

Nano Letters

文章署名作者：

Chen Chen, Heng Liu, Qinglin Lai, Xiaoyu Mao, Jun Fu, Zhaoming Fu, and Hualing Zeng