许小红教授团队在二维铁电材料中发现新奇的层依赖铁电极化现象

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二维范德华材料中的层依赖的物理特性是一个备受关注的研究热点，例如石墨烯中层关联的电子结构，CrI3中层依赖的磁序等。二维范德华铁电材料是否具有层依赖的铁电极化特性也备受关注。因此，探索层依赖的本征铁电极化和极化反转以及研究极化关联的输运对理解二维铁电极化的物理机制和引导构建铁电基器件极为重要。
       山西师范大学薛武红副教授和许小红教授发现了2H α-In2Se3具有层依赖的铁电极化现象。与2H α-In2Se3偶数层相比，奇数层具有较大的面内电极化且能够实现极化反转；由于面内和面外极化的关联性，当面内极化被电场反转后，面外极化也出现类似的层依赖特性（图1）。该结果丰富了二维材料家族的层依赖物理特性，为有效构建极化关联的纳米器件（如：存内运算和复杂的神经形态运算等）提供了有意义的指导。相关论文以题目为“Layer-Dependent Ferroelectricity in 2H-Stacked Few-Layer α-In2Se3”发表在Materials Horizons期刊上。Materials Horizons是英国皇家化学会最高影响力的期刊之一，影响因子为12.3。论文链接：https://doi.org/10.1039/D0MH01863E

图1：不同层数的2H α-In2Se3的面内极化反转

        所制备的2H α-In2Se3单晶纳米片尺寸大（>200 um）、超薄（~1.9 nm）、结晶质量高。球差电镜截面图可以清晰地看到其相邻两层的原子呈反平行排列，这种层堆垛构型会导致面内层间极化方向反平行，从而致使偶数层样品的面内极化几乎为零，而奇数层具有剩余极化。该种结构特点能更好的帮助理解层依赖的极化特性（图2）。

图2：2H α-In2Se3纳米片的形貌和微观结构

        将高质量的2H α-In2Se3单晶纳米片制备成铁电基场效应晶体管器件，发现极化反转可诱导一种负微分效应，所对应的矫顽场（～1.625 kV/cm）比传统铁电材料小1-2数量级，在白光照射下峰电流密度被进一步增大，通过背栅电压调控，器件的峰/谷电流比能高达7。以上结果表明2Hα-In2Se3在极化关联的低能耗纳米器件中具有很大的应用潜力（图3）。

图3：2H α-In2Se3基场效应晶体管器件的I-V特性及其光和电调控

       山西师范大学博士研究生吕宝华和严志为论文共同第一作者，山西师范大学薛武红副教授、许小红教授为共同通讯作者。该工作得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金等项目的支持。


       文章来源：山西师范大学
        许小红，1966年4月出生，山西新绛人，中共党员，中国共产党第十八次全国代表大会代表，博士，教授，博士生导师。1988年毕业于天津大学并分配到山西师范大学工作，1996年在北京科技大学获硕士学位，2001年在西安交通大学获博士学位，2001-2006年期间在华中科技大学、英国谢菲尔德大学、日本东北大学从事博士后及合作研究。历任山西师范大学化学与材料科学学院副院长、材料化学研究所所长，2006年1月任山西师范大学科技处处长，2016年9月任山西师范大学党委委员、副校长。  
        薛武红，女，博士，副教授，硕士生导师。经山西师范大学与中科院宁波材料所联合培养，于2018年获山西师范大学博士学位，论文被评为山西省优秀博士论文。2018年被引进山西师范大学材料科学研究院工作，主讲本科生《普通物理》课程。研究方向为二维电磁材料和器件的制备及其在信息存储和类脑仿生中的应用。在Nature Communications, Advanced Materials, Nanoscale, Advanced Electronic Materials, Nanotechnology等期刊发表多篇SCI学术论文；授权中国发明专利一项。现主持国家自然科学基金青年项目和山西师范大学青年基金项目各一项。