為了實現高密度存儲、延續摩爾定律，探索具有二維極限厚度鐵電體是目前研究的熱點和難點之一，近年來具有層狀結構的二維滑移鐵電材料的快速發展為該領域帶來了新契機。目前，有關二維滑移鐵電材料鐵電性的起源和自發極化機制（如離子位移、原子位移、層間滑移、扭角堆垛等），特別是外場調控下滑移鐵電極化翻轉的動力學過程仍不清晰，直接制約了新型二維鐵電材料的開發及應用。
近日，華東師范大學極化材料與器件教育部重點實驗室段純剛研究團隊聯合上海電機學院金敏教授團隊，采用原子級別原位球差電鏡技術開展了系統的二維滑移鐵電極化翻轉微觀機制的研究。他們首次從原子尺度上觀測到滑移鐵電半導體γ-InSe中層間的定向滑移，以及該層間滑移所引起的極化翻轉過程。研究成果以 Atomic-level polarization reversal in sliding ferroelectric semiconductors 為題，于2024年5月7日在線發表于 Nature Communications, (2024) 15:3799 。
《自然通訊》刊發華東師大極化材料與器件教育部重點實驗室團隊最新研究成果
范德華層狀InSe鐵電半導體中層間滑移動力學及理論驗證
二維材料 γ-InSe 屬于 R3m 非中心對稱空間群，為 ABC 型堆積方式。理論預測表明，垂直電場所誘導層間滑移，可以實現該類材料中極化狀態的翻轉。然而，由于柔性 InSe 半導體中存在大量天然堆疊層錯，很難在本征 γ-InSe 中檢測到鐵電性。
2023年1月，團隊通過壓電力顯微鏡等鐵電表征手段，首次從實驗上報道了Y摻雜范德華層狀 γ-InSe 的滑移鐵電性，結合穩瞬態光學測試手段和球差電鏡強大的原子尺度分析能力，解析了 γ-InSe 滑移鐵電的起源。基于這一候選材料，團隊進一步研究了二維滑移鐵電體極化起源及翻轉動力學，并通過在球差電鏡中引入外場，國際上首次捕捉到二維鐵電材料層間的原子級別定向滑移過程。理論計算表明，Y 的層間間隙相比其他缺陷結構具有更低的形成能，因此是 Y 摻雜引入的主要缺陷構型。基于層間滑動路徑的模擬，團隊提出一種以雙層為單位滑動的鐵電翻轉路徑，并揭示了 Y 摻雜對減少層錯并穩定鐵電性的機制，即Y層間間隙可增大層間相對滑動的勢壘，一方面可降低層間發生滑移并產生層錯的概率，并減少層錯的產生，另一方面可穩定極化翻轉前后的結構，有利于保持層間極化強度。該研究揭示了二維層狀半導體中微觀結構和層間極化等物性之間的聯系，為滑移鐵電這一新興物理機制提供了強有力的支撐，并為研制低功耗存算一體芯片提供了切實可用的新型材料。
華東師范大學為論文第一完成單位，2022級博士研究生隋峰銳為論文第一作者，華東師大公共創新服務平臺電鏡中心常務副主任齊瑞娟高級工程師、上海電機學院金敏教授、華東師大極化材料與器件教育部重點實驗室吳宇寧教授和越方禹教授為論文共同通訊作者。該研究成果是繼2023年1月在 Nature Communications, (2023) 14:36 (Sliding ferroelectricity in van der Waals layered γ-InSe semiconductor) (highly cited paper)首次報道 Y 摻雜范德華層狀 γ-InSe 中滑移鐵電性后的又一突破性成果。
相關研究工作得到了科技部、基金委、上海市、與華東師范大學公共創新服務平臺電鏡中心的大力支持。
論文鏈接：
1. Sui, F., et al. Atomic-level polarization reversal in sliding ferroelectric semiconductors. Nature Communications, 15, 3799 (2024).
2. Sui, F., et al. Sliding ferroelectricity in van der Waals layered γ-InSe semiconductor. Nature Communications, 14, 36 (2023). doi.org/10.1038/s41467-022-35490-0.
來源｜極化材料與器件教育部重點實驗室、科技處 編輯｜鄧安之 編審｜郭文君
