二维层状铁电材料的发现使得在二维极限下探索铁电物性成为可能。近期，SnTe、CuInP₂S₆、α-In₂Se₃等二维铁电材料所具有的面内或面外铁电性已在实验中得到了证实，这些进展为开发原子尺度的功能电子器件提供了机遇。然而，要实现二维铁电材料的器件化应用，其中的关键步骤在于如何有效地进行铁电极化及铁电畴结构的大规模均匀调控，这在现阶段对二维铁电材料而言仍具有巨大的挑战性，因为在二维极限厚度下利用外电场进行铁电畴工程会不可避免地导致大的漏电流甚至材料击穿等问题。因此，在二维铁电物性调控的研究中，迫切地需要开发一种无外加电场的普适方法来实现极化的调控，进而在大尺度上人工构建均匀铁电畴。

图1 二维铁电材料中铁电极化的翻转方法。(a) CuInP₂S₆晶体结构及两种极化翻转途径，其中极化方向由蓝色箭头所示。(b)铁电极化翻转过程所对应的Landau-Ginzburg-Devonshire双势阱模型。

近日，ICQD成员曾华凌教授和云南师范大学付召明副教授在Nano Letters上发表了二维CulnP₂S₆中在无外电场条件下利用机械调控手段（挠曲电效应）构建大尺度均匀人工铁电畴的研究成果，其单畴横向尺寸可达数百微米。

对铁电极化进行挠曲电调控的关键在于施加足够大的应变梯度，而应变梯度往往与材料的维度和尺寸成反比。得益于二维层状铁电材料所具有的良好柔性，研究团队通过在衬底应力工程在少层CulnP₂S₆中引入了高曲率的形变，从而实现了巨大的局域应变梯度(~10⁶ m^-1)。利用原位压电力显微镜(PFM)的测量，他们观察到了体系中形成了条纹状的铁电畴，且形成的条纹畴具有极高的空间均匀性。这一结果表明，衬底应力工程在纳米尺度下可有效地调节CulnP₂S₆样品中整体的极化状态。借助这种挠曲电效应，人工条纹畴可以在数百微米的尺度上生成。在本研究中，由于CulnP₂S₆中的条纹畴源于应力衬底的周期性，故通过有效控制衬底的波纹周期，可以实现CulnP₂S₆中铁电条纹畴密度的调控。

图2二维CulnP₂S₆中大尺度铁电畴的人工构建。（a）周期性衬底应力工程流程示意图。（b）大尺寸波纹状二维CuInP₂S₆的光学图片，插图为选区PFM相位图。

在微观上，二维CuInP₂S₆中挠曲电效应调控电极化的行为可以使用不对称的畸变Landau-Ginzburg-Devonshire（LGD）双势阱模型进行解释。基于第一性原理计算，研究团队得到了CuInP₂S₆的势能分布图，发现在平坦CuInP₂S₆的势能分布图中，对Cu⁺离子的面外方向迁移而言具有对称的双势阱，电极化具有简并的基态。在弯曲的CuInP₂S₆中，引入的应变梯度打破了这一双势阱结构的对称性，从而实现电极化的选择性调控。为了进一步理解弯曲应变对Cu⁺离子极化位移的调控，研究者还对比了相同波纹结构CuInP₂S₆中条纹畴和非条纹畴的总能。根据计算结果，条纹畴的相对稳定性随着波纹CuInP₂S₆曲率的增加而提高。

图3基于第一性原理计算获得的双势阱结构的势能曲线。（a）弯曲的CulnP₂S₆具有不对称势能分布图。（b）平整的CulnP₂S₆具有对称势能分布图。

研究团队通过衬底应力工程，在二维CulnP₂S₆中成功地引入了巨大的应变梯度，在无外电场条件下，利用挠曲电效应实现了体系中铁电极化状态的调控，并演示了大尺度上人工铁电条纹畴的构筑。结合第一性原理计算，他们通过不对称的畸变LGD双阱模型揭示了二维CulnP₂S₆中挠曲电效应调控铁电极化的内在机制。相关研究成果给出了二维铁电材料体系中一种调控电极化的普适途径，也突出了原子级二维铁电材料在柔性二维电子器件应用开发的潜力。此外，可控的周期性铁电畴对非线性光学、反常光伏效应等研究领域而言也具有潜在的重要意义。

相关论文发表在Nano Letters上，中国科学技术大学博士研究生陈晨、柳衡和硕士研究生赖清琳为文章的第一作者，中国科学技术大学曾华凌教授和云南师范大学付召明副教授为通讯作者。

论文链接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c00130