鐵電材料因其具有穩(wěn)定的自發(fā)極化，并且極化方向可以在外電場作用下發(fā)生翻轉，因而在存儲器、傳感器、場效應晶體管以及光學器件等方面具有非常廣闊的應用前景。近年來，研究人員發(fā)現(xiàn)了一批以CuInP2S6、In2Se3等為代表的二維本征鐵電材料，媒體對層間滑移鐵電性的報道也逐漸增多，這使得二維鐵電材料成為該領域的熱點研究課題。相比于塊體材料，二維材料的層間作用力為范德華力，表面不存在懸鍵，這有效避免了表面缺陷及表面重構等效應的產(chǎn)生，從而有可能實現(xiàn)薄層甚至單層的鐵電性，更有助于其在納米器件方面的應用。然而，目前對二維材料鐵電疇結構的調(diào)控及鐵電-反鐵電相變等方面仍缺乏系統(tǒng)性的研究。有鑒于此，林君浩團隊通過采用CVD的方法成功合成出一種新型的室溫二維鐵電材料，并通過壓電力顯微測試（PFM）證實該材料存在面內(nèi)的鐵電疇結構。結合電子衍射及原子尺度的能譜分析發(fā)現(xiàn)該材料為正交結構的Bi2TeO5。根據(jù)第一性原理計算的結果，Bi2TeO5為典型的位移型鐵電材料，其面內(nèi)鐵電極化來源于Bi3+離子沿a軸的位移以及BiO5四棱錐結構沿b軸的傾轉。結合像差校正透射電鏡可以對亞埃尺度的離子位移進行分析，進而獲得Bi3+離子的位移大小及分布情況。經(jīng)過統(tǒng)計，實驗上Bi3+離子沿a軸方向存在明顯且均勻的位移，其位移大小約為0.14 ?，這與計算的0.11 ?十分接近。圖1 二維層狀鐵電材料Bi2TeO5的CVD生長及結構表征。a, 二維層狀Bi2TeO5的光鏡圖；b-c, 樣品的表面形貌及對應的面內(nèi)PFM圖像；d-f, 不同方向Bi2TeO5的結構模型以及鐵電極化的產(chǎn)生；g-I, Bi2TeO5的原子尺度結構表征及對應的極化分布。對Bi2TeO5中疇結構的進一步研究發(fā)現(xiàn)，樣品中存在大量的條狀疇結構。原子尺度結構分析表明，這種條狀疇為180°鐵電疇。與其他鐵電材料明顯不同的是，在180°鐵電疇壁處多出來一列由Bi/Te共同構成的原子面，從而形成平面插層缺陷。除此之外，疇壁處還存在明顯的晶格畸變特征以及極化減弱現(xiàn)象。計算表明，Bi/Te插層疇壁的存在有效降低了鐵電疇之間拼接的應變能，從而使得180°疇壁能夠穩(wěn)定存在。圖2 Bi/Te插層誘導的180°鐵電疇的形成。a, Bi2TeO5中典型條狀180°鐵電疇的面內(nèi)PFM；b, 180°鐵電疇壁的原子尺度HAADF-STEM圖；c-e, 180°鐵電疇壁處鐵電離子位移(DBi)及晶格畸變(晶格轉角θ)的原子尺度分析；f, 弛豫后180°鐵電疇的結構模型。此外，團隊還發(fā)現(xiàn)通過調(diào)控前驅體中Bi2O3和Te的比例還可以有效實現(xiàn)180°鐵電疇寬度的調(diào)控。PFM和高分辨STEM結果均表明，隨著Bi2O3比例的降低，樣品中的180°疇寬度明顯變小。極限條件下，當鐵電疇的寬度降到半個單胞（約1nm），相鄰的Bi3+的離子位移會表現(xiàn)出周期性的反平行排列特征，此時樣品由鐵電相完全轉變?yōu)榉磋F電相。樣品整體表現(xiàn)出均勻的反鐵電特征，宏觀剩余極化為零。與180°疇的形成類似，在反鐵電相中高密度Bi/Te插層缺陷的引入同樣能夠作為緩沖層有效降低體系的應變能，與此同時，材料由鐵電性的Bi2TeO5完全轉變?yōu)榉磋F電性的Bi5Te3O13結構。圖3插層對疇寬度的調(diào)控及鐵電相到反鐵電相的轉變。a-d, 具有不同周期的180°疇HAADF-STEM圖像；e-h分別為對應圖a-d中的離子位移分布。本研究工作發(fā)現(xiàn)了Bi2TeO5室溫面內(nèi)鐵電性，豐富了本征二維鐵電材料體系，同時揭示了插層缺陷作為新的調(diào)控單元對二維Bi2TeO5薄膜鐵電疇大小及方向的調(diào)控，及由此產(chǎn)生的低維鐵電-反鐵電相變，為二維鐵電材料鐵電疇結構及相結構的調(diào)控提供了新思路，并為其在未來納米器件領域的應用提供了新方向。南方科技大學物理系韓夢嬌博士（現(xiàn)為松山湖材料實驗室副研究員）與中國人民大學王聰博士為論文共同第一作者。中國人民大學教授季威、蘇州納米所研究員康黎星為共同通訊作者，林君浩為最后通訊作者，南科大為論文第一單位。中國科學院金屬研究所王宇佳副研究員，馬秀良研究員，量子科學與工程研究院研究員戴俊峰、物理系講席教授王峻嶺也參與了該項工作。以上研究獲得了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、廣東省科技廳國際合作創(chuàng)新領域、廣東省創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)團隊、深圳市孔雀團隊等項目以及南方科技大學皮米中心的大力支持。參考資料：https://phy.sustech.edu.cn/news/detail/3393.html?lang=zh-cn
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