学术研究
实验室首次实现低维铁电极化超低功耗反转
  时间:2021-04-03  点击数:624

实验室段纯刚、钟妮、向平华研究团队在一项研究中首次提出自发离子吸附策略实现低维铁电极化的超低功耗反转。相关研究成果以题为“Ion adsorption-induced reversible polarization switching of a van der Waals layered ferroelectric”,于1月28日发表于Nature Communications。 相关论文信息:https://www.nature.com/articles/s41467-021-20945-7。博士生徐冬冬和马茹茹为共同第一作者,钟妮副研究员和向平华研究员为共同通讯作者。

具有高速、低功耗和非易失性的铁电材料在储能、信息存储和红外探测方面等领域具有广阔的应用前景。研究人员一直在寻找一种替代传统电场的无功耗铁电极化调控方式,而范德华层状材料具有许多新奇的量子属性和独特的物理性质,成为电子信息科学和凝聚态物理领域的研究热点。

当范德华层状结构与本征的室温铁电性相结合时,可以预见会诱发更多的新奇现象与潜在应用。以室温范德华层状铁电体CuInP2S6(CIPS)为例,其具有独特的负压电性,单轴四重势阱、优异铁电极化保持性等性质,在铁电场效应晶体管、铁电隧穿结、负电容器件、光电探测器等领域具有重要应用价值。然而,由于其具有显著的铜离子电导特性,传统的电场调控通常会导致其极性结构的破坏,并伴随形貌的扭曲变形,最终导致铁电性的丧失。这严重限制了CIPS在实际器件中的应用。因此,研发一种简单有效、可替代传统电场调控的方式已经成为解决这一问题的关键。

在这项研究中,研究人员通过人工设计离子吸附界面,室温下在范德华层状铁电体CIPS表面引入离子液体[DEME][TFSI]或十二烷基苯磺酸钠Na[DDBS]水溶液,即可实现其铁电畴的大面积翻转(图1a)。需要指出的是,在铁电极化反转过程中不需要施加额外的电场。反转前后材料组分、纳米片形貌、厚度等均不发生任何变化。

实验证据和第一性原理计算结果表明CIPS的铁电极化反转源于固液界面处铁电偶极子和液体中离子的相互作用(图1b)。图1c总结了选择性离子吸附诱导铁极化反转的微观过程。

图1(a)离子吸附诱导的可逆铁电畴翻转;(b)铁电体固液界面的电荷分布;(c)离子吸附诱导铁电极化反转的微观过程。

段纯刚表示,该研究成果通过选择性离子吸附成功诱导铁电极化反转,为实现基于铁电的数据存储和生物传感装置提供了超低功耗的新策略。这一工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海市科技创新行动计划、华东师范大学优秀博士研究生学术能力提升计划项目等的支持。