近日，我校合肥微尺度物質科學國家研究中心曾華凌教授課題組和云南師范大學付召明教授課題組合作在二維鐵電撓曲電效應研究中取得新進展，演示了一種任意雙向的鐵電極化力學調控技術，為二維極限下鐵電物性的操控提供了普適手段。相關研究成果于5月29日以“Reversible flexoelectric domain engineering at the nanoscale in van der Waals ferroelectrics”為題在線發表在國際學術期刊《自然·通訊》上(Nat. Commun.15,4556(2024))。

近年來，二維鐵電物性研究取得了巨大進展，為開發二維功能電子器件提供了機遇。然而，對于具有原子尺度厚度的二維鐵電體而言，在二維極限下所施加的面外方向電場將不可避免地導致樣品中產生巨大的漏電流乃至材料擊穿，亟需發展電場之外的極化調控替代方案。針對這一問題，曾華凌課題組在前期的研究中，通過襯底應力工程首次探索了撓曲電效應在二維鐵電材料中調控鐵電極化的可行性（Nano Lett.22, 3275（2022））。撓曲電效應指的是晶體在施加不均勻應變時會在內部所形成凈電極化，該效應不受限于晶格對稱性，適用于所有材料，已被用于產生眾多的奇異現象。

以往研究表明，在施加撓曲調控的方法中，由于能夠動態局域地施加和調節應變梯度大小，基于原子力顯微鏡的針尖壓印技術是目前使用最廣泛的一種方法。針尖壓印可以在納米尺度上引入大于107 m-1的應變梯度，已被用于調控材料的眾多物理性質，如電子結構、輸運行為和光電轉換等。然而，到目前為止，基于針尖的撓曲電調控在鐵電材料中的廣泛應用遠沒有達到預期。一個可能的原因在于，這種方式中電極化的力學切換路徑通常僅限于固定單一方向（如圖1所示），故無法實現對鐵電極化的雙向翻轉，是目前普適應用針尖調控鐵電極化的主要障礙。

有鑒于此，曾華凌課題組基于二維材料中天然的機械柔性，以超薄層狀鐵電CuInP₂S₆為模型體系，發展了無損、可逆的純力學極化調控普適手段。如圖1所示，在針尖壓印下，二維材料因其良好的柔性，相較于體相材料將在更大區域的上產生形變，其柔性形變區域大于針尖尺寸。這種拓展的柔性形變帶來了數十納米空間尺度上可控的雙向應變梯度，所產生的撓曲電場能夠打破電偶極矩之間長程庫侖相互作用的空間限制，從而實現鐵電極化的雙向穩定翻轉，為可逆調控鐵電極化提供了原理基礎。

圖1：二維材料中鐵電極化力學雙向調控策略演示。 (a-b)三維和二維鐵電體中針尖誘導的撓曲電效應示意圖。(c)二維鐵電體中針尖誘導產生的拓展形變。(d)根據拓展形變計算所得的雙向應變梯度空間分布。

基于以上電極化力學雙向調控策略，團隊設計了如圖2所示的實驗方案，在二維CuInP₂S₆中基于針尖技術產生了可控的應變梯度并量化其大小，通過使用彈性襯底，實現了無外電場下無損的純力學鐵電極化調控。基于原子力顯微鏡，這種納米尺度的撓曲電調控可以反復實施，進而實現高密度鐵電納米疇的純力學寫入和擦除。團隊演示了在1平方微米區域內可控生成橫向尺寸小至約80納米的鐵電納米疇，等價實現了相當于31.4 Gbit/inch?的存儲密度。研究所取得的進展填補了傳統鐵電極化撓曲調控技術的短板，使得純力學調控能實現電極化的雙向任意操控，同時也實現了納米尺度下高撓曲場的可控產生，為定量研究二維體系中撓曲場調制電子結構及相關物性提供了基礎。

圖2.二維CuInP₂S₆中可逆無損撓曲電調控的演示。(a)瞬態撓曲電操控技術示意圖。樣品在彈性限度內通過針尖壓印產生形變，極化通過撓曲電效應進行切換。撤去針尖后，樣品形貌恢復，而翻轉的電極化得以保持。(b-c)瞬態撓曲電操控前后的樣品形貌及統計。(d-g)鐵電納米疇的雙向力學可控寫入。

中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家研究中心博士研究生柳衡和賴清琳為本論文的共同第一作者。這項研究得到了中國科學院穩定支持基礎研究領域青年團隊計劃、科技創新2030重大項目、國家自然科學基金和中央高校基本科研業務費等科研項目的支持。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-48892-z

（合肥微尺度物質科學國家研究中心、物理學院、科研部）