国家纳米科学中心在二维铁电极化的原子尺度原位操控方面取得进展

近期，我国国家纳米科学中心的研究团队在二维铁电极化态的原位透射电镜操控技术，以及二维铁电性的新原理研究领域取得了重要突破。该研究成果以《Picometer-Level In Situ Manipulation of Ferroelectric Polarization in Van der Waals layered InSe》为标题，在《先进材料》（Advanced Materials）杂志上在线发表。近年来，铁电性在范德华层状材料中的发现，为研制高密度、低能耗的存储计算一体化芯片提供了重要的候选材料。但是，目前对于二维铁电性的根源、极化机理以及在外部电场调控下的铁电极化翻转动态过程的理解还不够深入和明确，这在很大程度上制约了范德华铁电材料性能的调控与其应用发展。研究小组采用配备了球差校正器的扫描透射电子显微镜（STEM）技术，在多种场的作用下，实现了对亚埃米尺度晶格的皮米级变化的精确探测，为深入探索范德华层状材料中的铁电极化翻转现象及其铁电性起源提供了重要信息。 本研究在先前关于γ-InSe场效应晶体管及其自发极化机理研究（ACS Nano 17,6095−6102,2023）的基础上，进一步采用了球差校正STEM的积分差分相位衬度像（iDPC）技术，并结合原位电学操控方法，对γ-InSe在不同电场作用下的原子级别结构进行了精确的定量表征与分析。研究结果表明，范德华层内的滑移（intralayer sliding）是γ-InSe二维铁电性产生的根本原因，并阐明了层内滑移方向变化引起的极化翻转微观机制。此外，通过压电力显微镜（PFM）的电滞回线测量和电场下的二次谐波（SHG）测试，验证了极化翻转及局部对称性变化的特点。理论计算也进一步指出层内滑移能够导致面外极化。本研究揭示了由范德华层内滑移引起的铁电极化是二维铁电性的另一个重要来源，这与其他范德华层状材料以及Y掺杂γ-InSe中层间滑移（interlayer sliding）产生的铁电机理有显著不同。这一发现对于深入理解二维铁电机理、极化翻转动力学的实空间可视化表征以及二维铁电性的调控具有重要的意义。

γ-InSe的自发极化结构及原位电场下的极化翻转

在此次研究中，国家纳米科学中心的郑强研究员、谢黎明研究员、拱越副研究员与西湖大学的柯昌明博士担任了论文的通讯作者。国家纳米科学中心的博士生高汉滨和特别研究助理刘子媛共同担任了论文的第一作者。此外，该论文的重要合作研究者还包括国家纳米科学中心的刘新风研究员和张礼智研究员、中国人民大学的程志海教授、西湖大学的刘仕教授以及清华大学的朱宏伟教授。本研究得到了国家重点研发计划项目、国家自然科学基金项目和中国科学院战略性先导科技专项B类的资金支持。

   论文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202404628