成果簡介

多鐵性材料因同時(shí)具備鐵電性和鐵磁性引起廣泛興趣，其獨(dú)特的物理特性在先進(jìn)器件應(yīng)用方面具有極大的潛力。然而，在傳統(tǒng)的多鐵性材料中，尺寸效應(yīng)、懸掛鍵和界面效應(yīng)嚴(yán)重限制了其在納米尺度器件應(yīng)用中的潛力。最近的理論和實(shí)驗(yàn)研究表明了在范德華層狀CuCrP2S6（CCPS）中實(shí)現(xiàn)二維多鐵性的可能性。然而，由于在CCPS中引入的磁性Cr離子，導(dǎo)致了反鐵電和反鐵磁性，使得CCPS宏觀上自發(fā)極化消失。 基于此，香港理工大學(xué)郝建華講座教授（通訊作者）、博士生姚泳芙(第一作者)等人報(bào)道了在室溫下直接觀察二維CCPS的面外鐵電特性。通過壓電力顯微鏡測(cè)試，充分展示了二維CCPS納米片中鐵電極化狀態(tài)的翻轉(zhuǎn)特性。

此外，在低至2.6納米（四層）的CCPS納米片中，展示了外加電場(chǎng)可控的鐵電極化翻轉(zhuǎn)和電滯回線現(xiàn)象。 通過原子分辨掃描透射電子顯微鏡的使用，揭示了室溫下二維CCPS的鐵電性源自層內(nèi)銅離子在垂直方向上偏離中心位置，從而產(chǎn)生自發(fā)的鐵電極化現(xiàn)象。此外，基于二維CCPS鐵電性制作的納米器件進(jìn)一步展示了其在非易失性存儲(chǔ)器件以及通過CCPS構(gòu)建異質(zhì)結(jié)構(gòu)制作新型多鐵性器件中的潛在應(yīng)用價(jià)值。

此內(nèi)容已發(fā)表于期刊《Nature Communications》。

研究背景

多鐵性材料在基礎(chǔ)研究和各種技術(shù)應(yīng)用方面具有極高的需求和潛力。但是，在單相材料中同時(shí)實(shí)現(xiàn)鐵電性和鐵磁性具有巨大挑戰(zhàn)，這也導(dǎo)致多鐵性材料相對(duì)較為罕見。CuCrP2S6（CCPS）由于與鐵電材料CuInP2S6(CIPS)的相似性以及內(nèi)含的磁性Cr離子，被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)低維多鐵性的潛在候選材料。盡管如此，目前還缺乏確鑿的證據(jù)證明CCPS在室溫下具備鐵電特性，并且對(duì)其鐵電性產(chǎn)生機(jī)制的詳細(xì)探究也尚未展開。

圖文導(dǎo)讀

晶體結(jié)構(gòu)與鐵電特性表征

拉曼光譜、XRD 和 TEM 結(jié)果表明研究工作中使用的CCPS晶體具有高結(jié)晶性。通過壓電響應(yīng)力顯微鏡 (PFM),和二次諧波(SHG)顯微鏡,作者展示了二維范德華層狀結(jié)構(gòu)CCPS具有穩(wěn)定的室溫面外鐵電特性。在偏壓的施加下，從塊狀到只有四層厚度的CCPS納米片中均表現(xiàn)出垂直方向的鐵電極化翻轉(zhuǎn)和電滯回線現(xiàn)象。

圖1. 范德華層狀結(jié)構(gòu)材料CCPS的結(jié)構(gòu)表征

圖2. 超薄CCPS納米片的PFM表征和分析

圖3. CCPS納米片中的電極化翻轉(zhuǎn)

圖4. CCPS納米片的溫度依賴性分析

CCPS室溫面外鐵電的產(chǎn)生機(jī)制

透過原子分辨掃描透射電子顯微鏡(HAADF-STEM)圖像，作者展示了在相反鐵電極化結(jié)構(gòu)CCPS層內(nèi)銅離子的位置,并揭示了二維材料CCPS的鐵電特性源自其層內(nèi)的銅離子在垂直方向偏離中心排序,因而產(chǎn)生自發(fā)的鐵電極化現(xiàn)象。

圖5. CCPS剖面的原子分辨STEM結(jié)果分析

鐵電納米器件

二維材料具有無懸掛鍵表面和弱層間作用力的優(yōu)勢(shì)，可以輕易集成異質(zhì)結(jié)構(gòu)，并在各種應(yīng)用上展現(xiàn)出巨大的前景。為展示二維鐵電材料CCPS的潛在應(yīng)用，作者構(gòu)建了由垂直堆疊的CCPS納米片和單層石墨烯組成的鐵電隧穿結(jié)（FTJ），以及由CCPS納米片和Pt 組成的垂直鐵電二極管。電傳輸特性測(cè)量結(jié)果表明基于二維CCPS的鐵電二極管具有良好的可重復(fù)性和可靠度。在超過20次循環(huán)的電傳輸特性測(cè)量中, 鐵電二極管的電滯行為和極化翻轉(zhuǎn)電壓幾乎一致，說明基于二維CCPS的納米器件具有良好的可重復(fù)性。經(jīng)過1500次循環(huán)讀取后，CCPS納米器件的開關(guān)比仍能維持在兩個(gè)數(shù)量級(jí)，表明CCPS中鐵電極化的狀態(tài)保持良好。

圖6. 基于CCPS的鐵電納米器件的演示

文獻(xiàn)信息

Direct observation of intrinsic room-temperature ferroelectricity in 2D layered CuCrP2S6, Nature Communications,2023, DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-023-43097-2.