鐵電材料因具有穩(wěn)定的自發(fā)極化，且在外加電場下具有可切換的極化特性，在非易失性存儲器、傳感器、場效應(yīng)晶體管以及光學(xué)器件等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。與傳統(tǒng)的三維鐵電材料不同，二維范德華層狀鐵電材料表面沒有懸空鍵，這可降低表面能，有助于實現(xiàn)更小的器件尺寸。此外，傳統(tǒng)三維鐵電薄膜的外延生長需要合適的具有小的晶格失配的基材，而在二維層狀材料中，許多具有不同結(jié)構(gòu)特性的層可以被堆疊并用于鐵電異質(zhì)結(jié)構(gòu)器件，不受基底的限制，從而提供了廣泛的鐵電特性可調(diào)性。某些二維層狀材料已在實驗或理論上被報道為鐵電材料，包括薄層SnTe、In2Se3、CuInP2S6、1T單層MoS2、雙層或三層WTe2、鉍氧氯化物和化學(xué)功能化的二維材料等。然而，目前對二維材料鐵電疇結(jié)構(gòu)的調(diào)控及鐵電-反鐵電相變等方面缺乏系統(tǒng)性研究，在范德華層狀材料中實現(xiàn)連續(xù)的鐵電域可調(diào)性和鐵電-反鐵電相轉(zhuǎn)變?nèi)允翘魬?zhàn)。
 

　　近日，中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所研究員康黎星團(tuán)隊與中國人民大學(xué)教授季威團(tuán)隊、南方科技大學(xué)副教授林君浩團(tuán)隊、松山湖材料實驗室副研究員韓夢嬌合作，在新型二維鐵電材料鐵電疇結(jié)構(gòu)的調(diào)控方面取得進(jìn)展。該團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)了一種具有室溫本征面內(nèi)鐵電極化的新型二維材料Bi2TeO5，并觀測到由插層鐵電疇壁誘導(dǎo)的鐵電疇大小、形狀調(diào)控機制以及由此產(chǎn)生的鐵電相到反鐵電相的轉(zhuǎn)變。科研人員采用CVD法合成新型的超薄室溫二維鐵電材料Bi2TeO5，通過壓電力顯微測(PFM)證實該材料存在面內(nèi)的鐵電疇結(jié)構(gòu)，結(jié)合電子衍射及原子尺度的能譜分析和第一性原理計算結(jié)果對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行解析，結(jié)合像差校正透射電鏡對亞埃尺度的離子位移進(jìn)行分析(圖1)。對Bi2TeO5中疇結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，樣品中存在大量的條狀疇結(jié)構(gòu)。原子尺度結(jié)構(gòu)分析和計算結(jié)果表明，由于Bi/Te插層的存在，有效降低了疇壁的應(yīng)變能，從而使得180°疇壁的條狀疇能夠穩(wěn)定(圖2)。研究表明，通過調(diào)控前驅(qū)體中Bi2O3和Te的比例可以有效實現(xiàn)180°鐵電疇寬度的調(diào)控及實現(xiàn)鐵電-反鐵電相的反轉(zhuǎn)(圖3、圖4)。此外，Bi/Te插層的引入除了能夠改變鐵電疇的大小，同時可以對疇壁的方向進(jìn)行調(diào)控(圖5)。
 

　　本研究對Bi2TeO5室溫面內(nèi)鐵電性的報道豐富了本征二維鐵電材料體系。原子插層作為新的調(diào)控單元對鐵電疇大小及方向的調(diào)控，以及由此產(chǎn)生的鐵電-反鐵電相變，為二維鐵電材料疇結(jié)構(gòu)及相結(jié)構(gòu)的調(diào)控提供了新思路，并為在未來納米器件領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了新的材料基礎(chǔ)。相關(guān)研究成果以Continuously tunable ferroelectric domain width down to the single-atomic limit in bismuth tellurite為題，發(fā)表在《自然-通訊》(Nature Communications)上。
 

　　圖1.二維層狀鐵電材料Bi2TeO5的CVD生長及結(jié)構(gòu)表征。a、二維層狀Bi2TeO5的光鏡圖；b-c、樣品的表面形貌及對應(yīng)的面內(nèi)PFM圖像；d-f、不同方向Bi2TeO5的結(jié)構(gòu)模型以及鐵電極化的產(chǎn)生；g-I、Bi2TeO5的原子尺度結(jié)構(gòu)表征及對應(yīng)的極化分布。

 

　　圖2.Bi/Te插層誘導(dǎo)的180°鐵電疇的形成。a、Bi2TeO5中典型條狀180°鐵電疇的面內(nèi)PFM；b、180°鐵電疇壁的原子尺度HAADF-STEM圖；c-e、180°鐵電疇壁處鐵電離子位移(DBi)及晶格畸變(晶格轉(zhuǎn)角θ)的原子尺度分析；f、弛豫后180°鐵電疇的結(jié)構(gòu)模型。

 

　　圖3.插層對疇寬度的調(diào)控及鐵電相到反鐵電相的轉(zhuǎn)變。a-d、具有不同周期的180°疇HAADF-STEM圖像；e-h、分別為對應(yīng)圖a-d中的離子位移分布。

 

　　圖4.插層誘導(dǎo)的反鐵電相。a、具有反鐵電性樣品的PFM；b-d、反鐵電樣品中的原子尺度極化分布及晶格畸變分析；e、弛豫后的反鐵電相結(jié)構(gòu)模型。

 

　　圖5.疇壁臺階的形成及插層對疇壁取向的影響。a-b、樣品中扇形鐵電疇的面內(nèi)PFM圖像；c、扇形鐵電疇邊緣處大量臺階形成的傾斜疇壁面；d-e、疇壁臺階的原子尺度HAADF-STEM圖像及對應(yīng)的離子位移分析；f、弛豫后的疇壁臺階結(jié)構(gòu)模型；g、Te和O濃度對疇壁臺階形成焓的影響。