在高密度、低功耗多功能存储器件的研发中，铁电材料能否保持稳定持久的极化特性是核心关键。近年来，以石墨烯为代表的二维材料凭借独特的光、热、电性能备受关注，而二维范德华层状材料CuInP₂S₆(CIPS)更是因兼具室温铁电性、离子电导与铁电极化强耦合、负压电性等特性，成为忆阻器和光电子器件领域的研究热点。

众所周知，CIPS的铁电性和离子电导性均源于晶格中的Cu离子，同时Cu离子在电场的激励下易迁移至晶格空位、间隙等位置，这也是CIPS复杂铁电性能的物理起源，同时其极化稳定性也有待提高。此前研究发现，贫Cu会使CIPS中形成非铁电（NFE）相和铁电相（FE）的异质结构。虽然有研究已经报道NFE的存在会使CIPS的居里温度（Tc）从315K提升至338K，但对于NFE区域、FE/NFE界面原子结构及其对铁电性能影响的研究仍十分匮乏。

近期，华东师范大学极化材料与器件教育部重点实验室钟妮教授团队，通过压电原子力显微镜（PFM）、扫描透射电子显微镜（STEM）和拉曼光谱等技术，系统研究了CIPS中FE与NFE区域的热演化行为。研究发现，含NFE相的CIPS在高温下展现出反常的铁电畴稳定性，其核心机制是FE/NFE界面的Cu离子缺陷与电荷积累形成钉扎效应。该成果为设计高可靠、长寿命的二维铁电器件提供了全新视角，相关研究成果以“Unconventional thermal stability of Domain Framework in Ferroelectric CuInP₂S₆”为题已在线发表于国际权威期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》上（https://doi.org/10.1021/acsami.5c04037）。

华东师范大学为论文第一完成单位，杨磊硕士研究生、郑赟哲博士后、阿卜力孜·麦提图尔荪博士研究生为论文的共同第一作者，钟妮教授、关赵副研究员、王亚琼副研究员为论文通讯作者。合作者还包括华东师范大学极化材料与器件教育部重点实验室的段纯刚教授、向平华教授、陈斌斌研究员、成岩教授、黄荣教授。研究工作获国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海市科技创新行动计划的资助。该工作感谢极化材料与器件教育部重点实验室、上海类脑智能材料与器件研究中心和华东师范大学公共创新服务平台微纳加工中心的支持。

图文导读

图1：CIPS薄片的PFM与原子结构表征

（a）CIPS薄片的面外振幅图、（b）相位图清晰区分出三类区域：FE1、FE2（铁电区）与NFE3（非铁电区）；（c）含FE/NFE区域的CIPS正向电压映射图；（d）FE与NFE相共存的示意图。（e-f）FE1、FE2区域的PFM滞后回线呈典型铁电特征，（g）NFE3区域无铁电的滞后现象；（h）沿（a）（b）中黑色虚线提取的振幅与相位剖面，进一步验证FE与NFE的信号差异。（i-j）STEM-HAADF 图像（上）、原子列强度映射（下）及FFT图谱显示，FE 区域为典型单斜相（Cc 空间群），原子排列有序，且FFT中可见1/3（060）超晶格衍射斑；（k-l）NFE区域虽保留整体单斜相框架，但原子排列无序，FFT中的超晶格衍射斑演变为多个无序斑点，这一现象主要由Cu离子缺陷导致。

图 2：CIPS 加热与冷却过程中拉曼光谱与PFM的演化行为

（a）室温下CIPS的拉曼特征峰与文献一致，包括 72 cm⁻¹（面外Cu位移与S振动）、104 cm⁻¹（P₂S₆⁴⁻振动）等；加热至～50℃时，104、315、558 cm⁻¹ 处峰强下降并出现分裂，（b）PFM振幅、（c）相位仅轻微变化，表明此温度以下铁电极化稳定。当温度升至～55℃，PFM振幅下降，部分紫色畴区收缩分裂；~60℃时振幅持续降低，相位近乎均匀（黄色），仅NFE区域附近残留少量畴；~70℃（Tc）时，畴壁与相衬消失，但NFE区域始终存在，且即使加热至120℃，其占比仍不变。（d-f）冷却过程中，从～80℃降至～55℃时，几乎所有FE畴与畴壁均在原位置重生；降温至室温（25℃）时，拉曼分裂峰重新合并，恢复初始状态，证实热致相变的可逆性。

图3：含NFE区域的CIPS与纯FE相CIPS（无NFE）在热刺激前后的畴结构对比

（a）含NFE的CIPS（CIPS-FE/NFE）初始振幅图、（b）经80℃加热后冷却至室温的振幅图；（c）提取的畴壁轮廓显示，其畴结构几乎无变化，展现优异热稳定性。（d）纯FE相CIPS（CIPS-FE）初始振幅图、（e）热刺激后的振幅图；（f）畴壁轮廓表明，其畴图案发生显著改变。实验排除了形貌因素的影响，且CIPS-FE/NFE在80℃加热2小时后，畴结构仍保持一致，为低功耗、高稳定电子器件设计提供关键参考。

图4：FE与NFE区域的界面态特征

（a）STEM-HAADF图像显示，NFE区域对比度更暗，进一步证实其Cu离子含量低，与PFM结果一致；（b）FE/NFE界面（取自a中白色方框）存在明显过渡区，该区以有序FE结构为主，但含大量Cu离子缺陷（红色圆圈标注）。（c）差分相位对比（DPC）技术获取的投影水平电场分布图中，NFE区域电场对比度弱且无序（无极化），FE 区域可见极化方向相反的畴（白色箭头标注）；（d）电场散度图（与电荷密度成正比）显示，FE/NFE界面存在显著电荷积累（黄色箭头标注）。（e）钉扎机制示意图：缺陷与电荷的强耦合诱导电荷积累，形成钉扎场维持初始极化状态。温度低于Tc时，畴结构稳定；接近Tc时，FE响应减弱、畴区收缩；冷却过程中，畴框架围绕钉扎中心恢复，凸显NFE区域对CIPS热稳定性的关键作用。