黄博远课题组及其合作团队在范德华二维材料挠曲电工程取得新进展

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2022年8月，南方科技大学材料系黄博远助理教授课题组及其合作团队在Science Advances上发表了题为“Flexoelectric engineering of van der Waals ferroelectric CuInP2S6”的研究论文，基于挠曲电效应实现了对范德华层状材料 CuInP2S6 (CIPS)中铁电极化多态的调控。
        近年来，CIPS因其室温强铁电性引起了研究人员的广泛关注。由于极化的可调性，CIPS成为二维电子器件的理想候选者，在铁电场效应晶体管、负电容场效应晶体管、铁电隧道结和忆阻器中显示出广泛的应用潜力，有望满足未来神经形态计算的需求。与此同时，CIPS兼具多种新颖的特性，例如负压电系数、可调的四势阱结构、强电卡效应等，而且其铁电极化和离子电导之间也存在着有趣关联。CIPS的铁电性与离子电导性主要源于铜离子位移，因此在外部电场作用下虽然能实现极化翻转，但也可能诱发铜离子的长程迁移，这往往造成结构破坏，对器件应用而言十分不利。

        为避免上述难题，作者团队验证了CIPS中的挠曲电效应，并基于其发展出新的极化调控策略，即通过施加应变梯度来翻转CIPS的微观畴结构。他们首先在转移后的CIPS中观察到纳米尺度的极化畴分布和形貌褶皱存在紧密关联，而相场模拟结果表明，挠曲电效应诱发CIPS极化翻转的临界曲率半径大约为5μm，并且曲率为正时对应极化向上，反之向下。作者随后通过将 CIPS 转移到银纳米纤维和周期性光栅上，构建了可控的应变梯度，证实该方法诱导畴翻转的可行性。他们还进一步通过扫描探针产生的应变梯度演示了对 CIPS极化连续调控的过程，该工作为基于挠曲电调控的CIPS多态极化器件的设计提供了理论和实验支撑。

图1 CIPS畴结构与针尖电场下的铜离子迁移与破坏

        通常情况下，利用外电场对CIPS进行极化翻转时须十分小心，否则稍大的电场极易触发材料内的长程离子迁移，造成结构破坏，这也是当下限制CIPS铁电性应用的主要瓶颈之一。如图1(D)和(E)对比了施加6V针尖电压前后的CIPS形貌，可以发现红色虚线圈内的结构已被破坏。

图2 CIPS形貌特征与铁电畴结构的对应关系

        通过压电响应力显微术(PFM)，该团队观察到CIPS二维薄层中正负极化方向的铁电畴大体均匀分布，但在形貌几何曲率半径较小处，如图2所示的褶皱、峰脊、气泡等处，畴取向与应变梯度方向高度关联，即曲率半径为正时极化向上，反之向下，具有明显的挠曲电特征。

图3 挠曲电效应调控极化的相场模拟与实验验证

        为了探究几何曲率对CIPS的铁电畴的影响，他们通过相场模拟预测了CIPS极化翻转的临界曲率半径约为5μm，即当曲率半径小于5μm时，应变梯度诱导畴翻转才较为明显。该团队进一步在实验中对此验证，他们通过将CIPS转移至具有周期性光栅结构(3μm)或分散有银纳米线(直径20~90nm)的基底上，如图3所示，使其达到特定几何曲率，成功观测到与理论预期相符合的挠曲电致极化翻转。该方法可以在不引起离子破坏性长程迁移的情况下实现CIPS的极化翻转，并具有高度局域化特征。

图4 针尖应力作用下的极化翻转演化过程

        作者团队还利用扫描探针针尖对材料施加局域应力，进一步实现了在纳米尺度基于挠曲电效应的极化调控方案。随着PFM扫描周期的增加，他们观察到CIPS的极化取向状态逐渐由向上转为向下，并完整展示了对CIPS的极化方向进行翻转、恢复、再翻转的动态调制过程，见图4。CIPS在循环扫描下可被调控到多个极化状态，这一行为可类比于神经突触的可塑性。此外，极化翻转具有较长的弛豫时间，这种非易失性使其成为实现神经形态计算的理想选择。
        南方科技大学访问学生明文杰(湘潭大学博士研究生)、黄博远助理教授、浙江大学博士研究生郑斯峥为本文的共同第一作者，黄博远助理教授、王杰教授(浙江大学)、李江宇讲席教授(南方科技大学)为共同通讯作者，南方科技大学王峻岭讲席教授及其团队成员白印鑫也参与了论文工作。论文第一单位为南方科技大学，合作单位包括湘潭大学、中科院深圳先进技术研究院、浙江大学和之江实验室。
        以上研究获得了国家自然科学基金、广东省领军人才计划、广东省重点实验室建设项目、广东省基础与应用基础研究基金、之江实验室重点研究项目、深圳市优秀科技创新人才项目及广东省教育创新团队项目的资助。
        论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abq1232
        文章来源：南方科技大学
        黄博远，南方科技大学助理教授，国家级青年人才。2016年本科毕业于南京大学，2020年博士毕业于美国华盛顿大学，获国家优秀自费留学生奖学金。致力于发展数据驱动的原子力显微新方法与装备，在纳米尺度表征研究材料的多场耦合机理。发展高通量时序激励显微方法，入围R&D 100 Awards Finalist，并应用于国家重大科研仪器研制项目；首创人工智能原子力显微镜原型机，被MIT Technology Review评为 “most thought-provoking papers”之一，并荣获深圳市自然科学二等奖。目前以第一/通讯作者身份(含同等贡献)在National Science Review、Advanced Materials、Journal of the Mechanics and Physics of Solids等刊发表论文15篇，主持国家、省市级基金5项。
          李江宇，广东省“珠江人才计划”领军人才，南方科技大学讲席教授、材料科学与工程系系主任。全职回国前担任美国华盛顿大学终身教职正教授，曾担任主管科研副系主任。现担任Science Bulletin副主编、Journal of Applied Physics副主编、npj Computational Materials等期刊编委。在扫描探针方法与应用及功能材料与器件领域做出有国际影响力的工作。曾荣获美国机械工程师协会Sia Nemat-Nasser奖章和美国显微学会今日显微学研究创新奖。作为项目负责人和首席科学家，主持国家重点研发计划“纳米科技”重点专项项目、基金委国家重大科研仪器研制项目。发表论文200余篇，总引用逾万次，包括Science、Nature Materials、Physical Review Letters、Advance Materials, Acta Materialia, 和JMPS等领域重要期刊。并多次在国际会议做大会、主题和特邀报告。