仪器新应用！中科大在纳米尺度上实现2D铁电材料中铁电极化的任意控制！

【科学背景】

随着室温超薄铁电材料的出现，包括氧化铪、钙钛矿氧化物和范德瓦尔斯（vdW）材料，科学界开始关注这些材料带来的新颖性和潜在应用。这些超薄铁电材料的出现挑战了长期以来对铁电性的关键尺寸效应的认识，为开发微型铁电器件并将其集成到现代半导体技术中提供了新的机遇。

电容效应通过应变梯度和电极化的耦合来操纵铁电性质，而无需外部电压。这一效应的引入使得铁电材料的控制变得更加灵活，并有望在低维系统中发挥更大的作用。然而，尽管已经取得了一些进展，但到目前为止，在铁电材料中广泛实施柔电控制仍然比预期中少见。其中一个主要问题是机械开关路径通常被限制为单一或固定方向，导致了柔电控制的缺陷。

为了克服这些挑战，中国科大合肥微尺度物质科学国家研究中心曾华凌教授课题组和云南师范大学付召明教授合作通过使用范德瓦尔斯材料的固有柔性，利用纳米尖印压技术在超薄铁电材料CuInP2S6（CIPS）中实现了任意极化反转和人工域工程。相关研究在“Nature Communications”期刊上发表了题为“Reversible flexoelectric domain engineering at the nanoscale in van der Waals ferroelectrics”的最新论文。

他们观察到，在纳米尺度下施加压力后，CIPS的形态经历了一种延展变形，这种软变形导致了双向柔电场的产生，从而使CIPS的极化可以双向反转。通过控制施加的尖端力，他们还能够实现不同形状的纳米域的选择性生成，并且可以观察到铁电域的转变。

【科学亮点】

(1) 本研究首次通过尖端印压技术在超薄铁电材料CuInP2S6（CIPS）中实现了任意极化反转和人工域工程。与传统体材料中的硬接触情况不同，本研究利用原子力显微镜（AFM）尖端在纳米尺度下施加压力，观察到CIPS的形态经历了延展变形。

(2) 实验结果显示，CIPS的软变形归因于其vdW材料的固有柔性，并产生了一个双向柔电场，使得CIPS的极化可以以双向方式反转。通过该技术，研究人员成功在预极化样品中选择性地生成了不同形状的纳米域，如点和环。

(3) 进一步的研究表明，通过施加不同的尖端力以反转向下的铁电域，可以观察到三叶域向环域的转变，表明CIPS中存在面内各向异性的柔性。

【科学图文】

图1：二维材料中铁电极化力学双向调控策略演示。

图2.  二维CuInP2S6中可逆无损挠曲电调控的演示。

图3. 载荷力对极化和域的影响。

图4：超薄CuInP2S6中的瞬态柔电控制。

图5：任意柔电域工程。

【科学结论】

本研究提出了一种机械方法，可在纳米尺度上实现二维铁电材料中铁电极化的任意控制。通过利用超薄铁电材料中的面内各向异性柔性，并通过巨大的柔电场实现了独特的高极化铁电态。这一发现为利用机械手段在二维极限下可靠地切换铁电极化提供了新途径。

作者的结果揭示了柔电控制在切换超薄铁电材料中复杂铁电性方面的高效性，同时为探索铁电性相关的新功能提供了有力支持。此外，实现的大应变梯度还为研究机械控制二维材料的电子、光学和磁学性质提供了重要机会。这些发现有望推动铁电材料在新型电子器件、光学器件以及磁学器件方面的应用，并促进了对超薄铁电材料的深入理解和开发。

原文详情：Liu, H., Lai, Q., Fu, J. et al. Reversible flexoelectric domain engineering at the nanoscale in van der Waals ferroelectrics. Nat Commun 15, 4556 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-48892-z