在當(dāng)今科技快速發(fā)展的時代，二維（2D）極化材料由于具備獨(dú)特的電子輸運(yùn)特性而備受關(guān)注和期待，特別是在滿足設(shè)備小型化的需求上顯示出巨大的潛力。然而，如何在二維體系有效誘導(dǎo)、調(diào)控鐵電極化仍充滿挑戰(zhàn)。盡管近年來對本征和滑移機(jī)制的研究日益增多，采用創(chuàng)新機(jī)制誘導(dǎo)2D極化的策略依然相對較少。與此同時，作為2D材料的一個重要分支，2D Janus 材料由于其獨(dú)特的非對稱結(jié)構(gòu)破壞了反演對稱并展現(xiàn)出意想不到的物理和化學(xué)特性，成為近年來研究的熱點(diǎn)。因此，將2D Janus 與2D極化結(jié)合，極有可能使其具備更多新穎的、吸引人的重要物理性質(zhì)。
近日，華東師范大學(xué)極化材料與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（CLPM）鐘妮教授團(tuán)隊深入研究了第四主族單硫化物GeSe 材料的2D Janus 狀態(tài)，展示了利用機(jī)械力調(diào)控極化的新策略。該工作首次利用納米探針在單層 GeSe 中引入了一種通過調(diào)制翹曲結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的新型2D Janus 狀態(tài)。通過掃描探針顯微鏡、高分辨透射電子顯微鏡和密度泛函理論計算等方法，實(shí)現(xiàn)并觀察到了力誘導(dǎo)的原子級不對稱翹曲畸變引起的面外、面內(nèi)極性。這種 Janus 狀態(tài)在去除外部力學(xué)干擾后仍能穩(wěn)定保持，通過調(diào)節(jié)滑動方向可以實(shí)現(xiàn)切換，為配置新型2D極化材料提供新穎的視角，具有巨大的應(yīng)用前景。相關(guān)成果以“Two-dimensional Janus Polarization Functioned by Mechanical Force”為題于2024年5月14日在線發(fā)表于 Advanced Materials 上。
《先進(jìn)材料》刊發(fā)華東師大極化材料與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊最新研究成果
圖1. 第一性原理計算區(qū)分初始和 Janus GeSe。（A-B）初始 GeSe 的晶體結(jié)構(gòu)和能量圖。（C-D）Janus GeSe 的晶體結(jié)構(gòu)和能量圖。（E-F）Janus GeSe 的面內(nèi)面外極化強(qiáng)度分布圖。
研究人員首先通過納米探針以一定的剪切力沿著極化（扶手）方向滑動（步驟1），隨后沿z軸施加壓應(yīng)力進(jìn)一步增強(qiáng)響應(yīng)（步驟2）；在移除施加的外部機(jī)械力后（步驟3），利用掃描探針顯微鏡（SPM）檢查其極化狀態(tài)（步驟4）。如圖2所示，材料的 PFM 初始狀態(tài)呈現(xiàn)單一狀態(tài)且信號均勻。然而，在一小區(qū)域內(nèi)沿極化方向滑動探針后（單向滑動），機(jī)電響應(yīng)逐漸發(fā)生變化。而在單向滑動后，在該區(qū)域進(jìn)一步施加機(jī)械壓力后，PFM 響應(yīng)變化逐漸增強(qiáng)，誘導(dǎo)出面外極化信號。
圖2. 利用壓電力顯微鏡（PFM）提供機(jī)械力誘導(dǎo) Janus GeSe 的動態(tài)過程。（A）機(jī)械力誘導(dǎo)方法示意圖。（B-C）初始態(tài) GeSe 的PFM響應(yīng)。（C-D）滑移后 GeSe 的 PFM 響應(yīng)。（F-G）施加正壓力后 GeSe 的 PFM 響應(yīng)。
研究人員利用 STEM 分析揭示 Janus GeSe 原子結(jié)構(gòu)。通過觀察對比 GeSe 原始 Pnma 以及誘導(dǎo)的 Janus 晶體結(jié)構(gòu)表面層 STEM-HAADF 圖像（圖3）發(fā)現(xiàn)，由于 Janus 結(jié)構(gòu)表面層翹曲程度變小，使得第二層偶極子未能完全相互抵消，從而誘導(dǎo)出凈面外極化；與此同時，面內(nèi)反鐵電性被打破，使 Janus GeSe 同時具備面內(nèi)、面外極化矢量。
圖3. [010]方向的高分辨掃描透射電鏡-高角度環(huán)形暗場 (STEM-HAADF) 圖像。（A-C）初始 GeSe 的表面原子結(jié)構(gòu)。（D-F）Janus GeSe 的表面原子結(jié)構(gòu)。（G）表面原子結(jié)構(gòu)放大對比圖。
華東師范大學(xué)為論文第一完成單位，關(guān)趙副研究員，童文旖副研究員以及鄭赟喆博士后為論文的共同第一作者，鐘妮教授為論文通訊作者。合作者還包括華東師范大學(xué)極化材料與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的褚君浩院士、段純剛教授、向平華教授、黃榮教授、成巖研究員、陳斌斌研究員和中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所的魏鐘鳴研究員。
研究工作獲國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、上海市科技創(chuàng)新行動計劃的資助。該項(xiàng)研究感謝上海類腦智能材料與器件研究中心、極化材料與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和華東師范大學(xué)公共創(chuàng)新服務(wù)平臺微納加工和電鏡中心等實(shí)驗(yàn)平臺支持。
附：
論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202403929
來源｜物理與電子科學(xué)學(xué)院、科技處 編輯｜鄧安之 編審｜郭文君
