近日，我中心曾华凌教授课题组和云南师范大学付召明教授课题组合作在二维铁电挠曲电效应研究中取得新进展，演示了一种任意双向的铁电极化力学调控技术，为二维极限下铁电物性的操控提供了普适手段。相关研究成果于2024年5月29日以“Reversible flexoelectric domain engineering at the nanoscale in van der Waals ferroelectrics”为题在线发表在国际学术期刊《自然·通讯》上(Nat. Commun.15,4556(2024))。
近年来，二维铁电物性研究取得了巨大进展，为开发二维功能电子器件提供了机遇。然而，对于具有原子尺度厚度的二维铁电体而言，在二维极限下所施加的面外方向电场将不可避免地导致样品中产生巨大的漏电流乃至材料击穿，亟需发展电场之外的极化调控替代方案。针对这一问题，曾华凌课题组在前期的研究中，通过衬底应力工程首次探索了挠曲电效应在二维铁电材料中调控铁电极化的可行性（Nano Lett.22, 3275（2022））。挠曲电效应指的是晶体在施加不均匀应变时会在内部所形成净电极化，该效应不受限于晶格对称性，适用于所有材料，已被用于产生众多的奇异现象。
以往研究表明，在施加挠曲调控的方法中，由于能够动态局域地施加和调节应变梯度大小，基于原子力显微镜的针尖压印技术是目前使用最广泛的一种方法。针尖压印可以在纳米尺度上引入大于107 m-1的应变梯度，已被用于调控材料的众多物理性质，如电子结构、输运行为和光电转换等。然而，到目前为止，基于针尖的挠曲电调控在铁电材料中的广泛应用远没有达到预期。一个可能的原因在于，这种方式中电极化的力学切换路径通常仅限于固定单一方向（如图1所示），故无法实现对铁电极化的双向翻转，是目前普适应用针尖调控铁电极化的主要障碍。
有鉴于此，曾华凌课题组基于二维材料中天然的机械柔性，以超薄层状铁电CuInP2S6为模型体系，发展了无损、可逆的纯力学极化调控普适手段。如图1所示，在针尖压印下，二维材料因其良好的柔性，相较于体相材料将在更大区域的上产生形变，其柔性形变区域大于针尖尺寸。这种拓展的柔性形变带来了数十纳米空间尺度上可控的双向应变梯度，所产生的挠曲电场能够打破电偶极矩之间长程库仑相互作用的空间限制，从而实现铁电极化的双向稳定翻转，为可逆调控铁电极化提供了原理基础。
图1：二维材料中铁电极化力学双向调控策略演示。 (a-b)三维和二维铁电体中针尖诱导的挠曲电效应示意图。(c)二维铁电体中针尖诱导产生的拓展形变。(d)根据拓展形变计算所得的双向应变梯度空间分布。
基于以上电极化力学双向调控策略，团队设计了如图2所示的实验方案，在二维CuInP2S6中基于针尖技术产生了可控的应变梯度并量化其大小，通过使用弹性衬底，实现了无外电场下无损的纯力学铁电极化调控。基于原子力显微镜，这种纳米尺度的挠曲电调控可以反复实施，进而实现高密度铁电纳米畴的纯力学写入和擦除。团队演示了在1平方微米区域内可控生成横向尺寸小至约80纳米的铁电纳米畴，等价实现了相当于31.4 Gbit/inch⟡的存储密度。研究所取得的进展填补了传统铁电极化挠曲调控技术的短板，使得纯力学调控能实现电极化的双向任意操控，同时也实现了纳米尺度下高挠曲场的可控产生，为定量研究二维体系中挠曲场调制电子结构及相关物性提供了基础。
图2.二维CuInP2S6中可逆无损挠曲电调控的演示。(a)瞬态挠曲电操控技术示意图。样品在弹性限度内通过针尖压印产生形变，极化通过挠曲电效应进行切换。撤去针尖后，样品形貌恢复，而翻转的电极化得以保持。(b-c)瞬态挠曲电操控前后的样品形貌及统计。(d-g)铁电纳米畴的双向力学可控写入。
中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心博士研究生柳衡和赖清琳为本论文的共同第一作者。这项研究得到了中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队计划、科技创新2030重大项目、国家自然科学基金和中央高校基本科研业务费等科研项目的支持。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-48892-z
