为了实现高密度存储、延续摩尔定律，探索具有二维极限厚度铁电体是目前研究的热点和难点之一，近年来具有层状结构的二维滑移铁电材料的快速发展为该领域带来了新契机。目前，有关二维滑移铁电材料铁电性的起源和自发极化机制（如离子位移、原子位移、层间滑移、扭角堆垛等），特别是外场调控下滑移铁电极化翻转的动力学过程仍不清晰，直接制约了新型二维铁电材料的开发及应用。
近日，华东师范大学极化材料与器件教育部重点实验室段纯刚研究团队联合上海电机学院金敏教授团队，采用原子级别原位球差电镜技术开展了系统的二维滑移铁电极化翻转微观机制的研究。他们首次从原子尺度上观测到滑移铁电半导体γ-InSe中层间的定向滑移，以及该层间滑移所引起的极化翻转过程。研究成果以Atomic-level polarization reversal in sliding ferroelectric semiconductors为题，于2024年5月7日在线发表于Nature Communications, (2024) 15:3799。
《自然通讯》刊发华东师大极化材料与器件教育部重点实验室团队最新研究成果
范德华层状InSe铁电半导体中层间滑移动力学及理论验证
二维材料γ-InSe属于R3m非中心对称空间群，为ABC型堆积方式。理论预测表明，垂直电场所诱导层间滑移，可以实现该类材料中极化状态的翻转。然而，由于柔性InSe半导体中存在大量天然堆叠层错，很难在本征γ-InSe中检测到铁电性。
2023年1月，团队通过压电力显微镜等铁电表征手段，首次从实验上报道了Y掺杂范德华层状γ-InSe的滑移铁电性，结合稳瞬态光学测试手段和球差电镜强大的原子尺度分析能力，解析了γ-InSe滑移铁电的起源。基于这一候选材料，团队进一步研究了二维滑移铁电体极化起源及翻转动力学，并通过在球差电镜中引入外场，国际上首次捕捉到二维铁电材料层间的原子级别定向滑移过程。理论计算表明，Y的层间间隙相比其他缺陷结构具有更低的形成能，因此是Y掺杂引入的主要缺陷构型。基于层间滑动路径的模拟，团队提出一种以双层为单位滑动的铁电翻转路径，并揭示了Y掺杂对减少层错并稳定铁电性的机制，即Y层间间隙可增大层间相对滑动的势垒，一方面可降低层间发生滑移并产生层错的概率，并减少层错的产生，另一方面可稳定极化翻转前后的结构，有利于保持层间极化强度。该研究揭示了二维层状半导体中微观结构和层间极化等物性之间的联系，为滑移铁电这一新兴物理机制提供了强有力的支撑，并为研制低功耗存算一体芯片提供了切实可用的新型材料。
华东师范大学为论文第一完成单位，2022级博士研究生隋峰锐为论文第一作者，华东师大公共创新服务平台电镜中心常务副主任齐瑞娟高级工程师、上海电机学院金敏教授、华东师大极化材料与器件教育部重点实验室吴宇宁教授和越方禹教授为论文共同通讯作者。该研究成果是继2023年1月在Nature Communications, (2023) 14:36 (Sliding ferroelectricity in van der Waals layered γ-InSe semiconductor) (highly cited paper)首次报道Y掺杂范德华层状γ-InSe中滑移铁电性后的又一突破性成果。
相关研究工作得到了科技部、基金委、上海市、与华东师范大学公共创新服务平台电镜中心的大力支持。
1. Sui, F., et al. Atomic-level polarization reversal in sliding ferroelectric semiconductors. Nature Communications, 15, 3799 (2024).
2. Sui, F., et al. Sliding ferroelectricity in van der Waals layered γ-InSe semiconductor. Nature Communications, 14, 36 (2023). doi.org/10.1038/s41467-022-35490-0.
来源｜极化材料与器件教育部重点实验室、科技处
