北理工團隊通過力學(xué)方法在范德華鐵電單晶中成功構(gòu)造極化拓?fù)洚?/h3>
發(fā)布日期:2025-09-29 供稿:宇航學(xué)院 王學(xué)云 攝影:宇航學(xué)院
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近日,北京理工大學(xué)空天科學(xué)與技術(shù)學(xué)院、臨近空間環(huán)境特性及效應(yīng)全國重點實驗室洪家旺、王學(xué)云教授課題組在鐵電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的構(gòu)筑方法上取得突破,相關(guān)研究成果以“Mechanically liberating polarization bubbles in van der Waals ferroelectrics”為題于9月29日在線發(fā)表在Nature Materials期刊。
北京理工大學(xué)為第一完成單位,北京理工大學(xué)洪家旺、王學(xué)云教授、寧波工程學(xué)院楊為佑研究員為通訊作者。北京理工大學(xué)博士后江興安(現(xiàn)已入職寧波工程學(xué)院)、博士生王廷鈞(現(xiàn)已入職石家莊鐵道大學(xué))、博士研究生張亦軒、博士后鄧尊乙為共同第一作者。合作單位包括寧波工程學(xué)院、北京大學(xué)、中科院半導(dǎo)體研究所、北京工業(yè)大學(xué)、湖南大學(xué)和美國羅格斯大學(xué)。
極性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(如斯格明子、渦旋、半子等)因其拓?fù)浔Wo特性與外場可調(diào)性在非易失性存儲和新型電子器件中的巨大潛力,近年來成為物理、力學(xué)和材料科學(xué)等多學(xué)科交叉領(lǐng)域的研究前沿。然而,目前絕大多數(shù)極性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)依賴于人為構(gòu)筑的異質(zhì)結(jié)或超晶格結(jié)構(gòu),需要通過界面/邊界/幾何等約束來平衡能量競爭,才能實現(xiàn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的穩(wěn)定存在。這種對外延結(jié)構(gòu)和材料襯底的依賴極大地限制了拓?fù)潆娮悠骷谌嵝?、可集成化和硅基兼容電子學(xué)中的應(yīng)用。
范德瓦爾斯材料因其層間弱相互作用、無懸掛鍵表面和優(yōu)異的力學(xué)柔性等優(yōu)點,為構(gòu)筑可轉(zhuǎn)移、可集成的功能器件提供了理想材料體系。特別是具有離子遷移特性的鐵電性范德瓦爾斯材料CuInP2S6(CIPS),其展現(xiàn)出了多穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)、離子電導(dǎo)、負(fù)壓電性等獨特的物理特性,尤其是其極化共存旋轉(zhuǎn)的特點,為構(gòu)筑極性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提供了可能。
為了解決上述問題,北京理工大學(xué)洪家旺、王學(xué)云教授團隊在無需異質(zhì)結(jié)構(gòu)約束的塊體CIPS晶體中,通過力學(xué)調(diào)控方法成功實現(xiàn)了高密度極性氣泡疇(Polarization bubble)的構(gòu)筑與操控。研究結(jié)果表明,原子力納米探針在材料表面引起的局部曲率(應(yīng)變梯度)變化是構(gòu)筑極性氣泡疇的關(guān)鍵。一方面,納米探針引起的應(yīng)變梯度場可以達(dá)到106 m-1,該應(yīng)變梯度場誘導(dǎo)的撓曲電場足以推動CIPS的極化翻轉(zhuǎn)。另一方面,局部曲率的變化還推動CIPS中的銅離子從低極化態(tài)(LP)遷移至高極化態(tài)(HP)。進而導(dǎo)致內(nèi)部的能量競爭達(dá)到新的平衡穩(wěn)態(tài)。在上述物理過程的共同作用下,實現(xiàn)了在CIPS材料體系中傳統(tǒng)迷宮疇到拓?fù)洚牭难葑兣c穩(wěn)定存在。本論文的研究結(jié)果切實推動了對范德瓦爾斯體系拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究的發(fā)展,并為其在高密度存儲中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

圖1 范德華鐵電晶體中高密度極化氣泡的觀測。
要點:
1. CIPS晶體具有典型的層狀范德華結(jié)構(gòu),Cu離子可在層內(nèi)和層間范德華隙中移動,形成低極化(LP)和高極化(HP)兩種共存相。
2. 通過機械剝離不同厚度,壓電力顯微鏡(PFM)圖像證明了迷宮疇到氣泡疇的形態(tài)演變。
3. PFM振幅圖像揭示氣泡疇周圍存在壓電振幅的明暗差異,與其LP/HP相的共存密切相關(guān)。

圖2 極化氣泡的極性構(gòu)型表征。
要點:
1. 通過矢量PFM技術(shù),結(jié)合樣品旋轉(zhuǎn),確認(rèn)氣泡疇具有面內(nèi)發(fā)散型的極化構(gòu)型,具有典型的Néel型疇壁。
2. 通過進一步重構(gòu)極化場,進一步確認(rèn)了面內(nèi)中心發(fā)散狀極化分布。

圖3 氣泡與HP相的關(guān)聯(lián)性分析。
要點:
1. 通過層析PFM技術(shù)去除表層后,發(fā)現(xiàn)HP相消失的同時氣泡疇也隨之消失,證明氣泡的穩(wěn)定存在依賴于HP相。
2. 基于密度泛函理論計算,發(fā)現(xiàn)壓縮應(yīng)變可促使Cu離子進入范德華隙,從而穩(wěn)定HP相,為氣泡疇形成提供有利條件。

圖4 探針集中力調(diào)控HP相與氣泡疇形成。
要點:
1. 在迷宮疇富集區(qū)域,通過AFM針尖進行力掃描,可誘導(dǎo)LP相向HP相轉(zhuǎn)變,并導(dǎo)致迷宮疇到氣泡疇的形態(tài)變化,該過程可實現(xiàn)無損的鐵電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形成。
2. 在針尖集中作用下,HP相比例顯著提升,氣泡疇主要形成于HP或者LP/HP相界區(qū)域,與機械剝離過程中的觀察一致。

圖5 極化氣泡疇的形成與穩(wěn)定機制。
要點:
1.壓縮應(yīng)變促使Cu離子遷移至范德華隙,實現(xiàn)由LP到HP相的轉(zhuǎn)變;而應(yīng)變梯度則通過撓曲電效應(yīng)產(chǎn)生強局域電場(可達(dá)106 V/cm),共同驅(qū)動迷宮疇向氣泡疇演變。
2.極化相轉(zhuǎn)變及撓曲電場共同重構(gòu)形成一個總的等效電場,被認(rèn)為是驅(qū)動迷宮疇演變成氣泡疇的驅(qū)動力。相場模擬進一步驗證了在等效電場作用下,迷宮疇到高密度氣泡疇的演變,氣泡疇具有中心發(fā)散的極化渦旋結(jié)構(gòu),疇壁為Néel型。
本研究通過力學(xué)調(diào)控極性相競爭與撓曲電效應(yīng),在范德華鐵電體CIPS單晶中實現(xiàn)了高密度鐵電拓?fù)錃馀莓牭目煽匦纬膳c操控,突破了傳統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對襯底與異質(zhì)界面工程的依賴。CIPS材料具備可剝離、可轉(zhuǎn)移、易集成等優(yōu)勢,可與硅基、柔性襯底等多種平臺兼容,為拓?fù)潆娮訉W(xué)在柔性器件、神經(jīng)形態(tài)計算等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了新材料基礎(chǔ)。這一發(fā)現(xiàn)不僅深化了對范德華鐵電體中拓?fù)滂F電疇形成機制的理解,也為未來發(fā)展范德華體系拓?fù)洚牻Y(jié)構(gòu)及其在低功耗、高密度、高密度存儲的電子器件應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
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