北理工課題組在多方向滑移鐵電材料研究方面取得重要進展
發(fā)布日期：2024-12-23 供稿：物理學院 攝影：物理學院
編輯：王莉蓉 審核：陳珂 閱讀次數(shù)：
通過二維材料的堆疊技術(shù),，可通過層間滑動來切換界面極化,，這被稱為滑動鐵電性，它在超薄厚度,、高切換速度和高抗疲勞性方面具有優(yōu)勢,。然而，揭示菱面體堆疊材料中滑動路徑與極化狀態(tài)之間的關(guān)系仍然是一個挑戰(zhàn),，這是實現(xiàn)二維滑動鐵電性的關(guān)鍵,。鑒于此，北京理工大學鄭守君研究員和三峽大學楊柳博士共同合作在Advanced Materials在線發(fā)表“Multidirectional Sliding Ferroelectricity of Rhombohedral-stacked InSe for Reconfigurable Photovoltaics and Imaging Applications”的研究成果（北京理工大學為第一單位,，Adv. Mater. , 2416117, (2024)）,。在這項研究中，我們利用雙頻共振追蹤壓電響應力顯微鏡（Dart-PFM）,，導電原子力顯微鏡（C-AFM）和掃描隧道顯微鏡（STEM）對菱面體堆疊的 InSe（γ-InSe）中與層相關(guān)的自發(fā)極化狀態(tài)和多向滑動路徑進行了實驗研究,。這種多向滑動機制通過電場確保了石墨烯/γ-InSe/石墨烯范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的可調(diào)體光伏效應。掃描透射電子顯微鏡（STEM）數(shù)據(jù)闡明了多層γ-InSe 中的疇壁產(chǎn)生和多向滑動機制,，這與理論計算結(jié)果一致,。我們的工作不僅深入了解了菱面體堆疊二維材料的多向滑動鐵電性，還突顯了它們在可調(diào)節(jié)光伏和成像應用中的潛力,。
我們通過雙頻共振追蹤壓電響應力顯微鏡和掃描透射電子顯微鏡研究γ-InSe中與層相關(guān)的多向滑動鐵電性,。由于存在多種極化狀態(tài),，石墨烯/γ-InSe/石墨烯隧穿器件展現(xiàn)出可調(diào)節(jié)的體光伏效應，光伏電流密度約為15 mA/cm2,。實驗中觀察到了不同疇壁形狀的產(chǎn)生,，根據(jù)我們的理論計算，這歸因于多方向滑動誘導的滑移鐵電疇,。此外,，γ-InSe中的鐵電極化確保了隧穿器件具有約255 A/W 的高光電響應率和用于實時成像的快速響應時間，并且石墨烯/γ-InSe/石墨烯器件還具有高光電響應性和用于實時成像應用的快速響應時間,。我們的工作不僅豐富了滑動鐵電機制，還為開發(fā)二維滑動鐵電體在光伏,、神經(jīng)計算和成像等應用中鋪平了道路,。
圖1
圖1展示的菱面體堆疊的 InSe 的多向?qū)娱g滑動。a) 雙層γ-InSe的俯視圖,，顯示了從 InSe 頂層到底層的三個滑動方向,。b) 雙層γ-InSe沿AC方向的側(cè)視圖。c) 雙層γ-InSe 在向左滑動后極化發(fā)生轉(zhuǎn)變的側(cè)視圖,。d) 雙層γ-InSe在向右滑動后極化發(fā)生轉(zhuǎn)變的側(cè)視圖,。e) 雙層γ-InSe所有滑動方向的總結(jié)，包括第一次和第二次滑動過程,，用圓圈數(shù)字表示,。粉色和藍色分別代表向上和向下的極化。f) 具有全堆疊構(gòu)型的雙層γ-InSe的計算能量圖,，顯示 AB 和 BA 堆疊構(gòu)型能量最低,。通過沿著鞍點（SP）滑動可以切換兩種極化狀態(tài)。g) 所有堆疊構(gòu)型的計算極化圖,。h) HAADF-STEM圖像,，顯示了具有向下極化的γ-InSe三層結(jié)構(gòu)。i) 具有向上極化的γ-InSe三層結(jié)構(gòu)的原子圖像,。
圖2
圖2展示了具有多態(tài)性的γ-InSe滑動鐵電性,。a) 用Dart-PFM以寫疇模式（±9 V）對 23 納米厚的γ-InSe薄片進行相位映射，清楚地顯示出可切換的鐵電OOP相位,。b) PFM的外場相位和振幅磁滯回線有兩個循環(huán),。c) 在 ±6 V 電場下對 10 納米厚的 γ-InSe薄片進行的 KPFM 映射。沿白色虛線的 KPFM 振幅（藍線）圖示于插圖中,。d) 通過C-AFM測量得到的 3.9 納米厚的 InSe 薄片的I-V曲線,，具有明顯的磁滯和多次電流跳躍。AFM圖像和厚度顯示在底部插圖中,，能帶排列顯示在頂部插圖中,。e) 2.9 納米厚的InSe薄片的 I-V曲線,，顯示出較少的電流跳躍。f) 6 納米厚的InSe薄片的I-V曲線,，顯示出更多的電流跳躍,，表明根據(jù)層數(shù)的不同存在多態(tài)性。
圖3
圖3展示了石墨烯/γ-InSe/石墨烯隧穿器件中的可調(diào)體光伏效應,。a) 石墨烯/γ-InSe/石墨烯結(jié)的示意圖,。b) 隧穿器件的光學圖像，其中紅色陰影區(qū)域是γ-InSe 薄片,，黑色陰影區(qū)域是兩塊石墨烯薄片,，白色陰影區(qū)域是用于光伏測試的范德華結(jié)的核心區(qū)域。c) 隧穿器件的 Isc（短路電流）映射,，清楚地顯示出 Isc 源自隧穿器件的核心區(qū)域,。d) 在 520 nm 光從 5 μW 到 35 μW 不同光強下的 I - V 曲線。e) 在正（藍線）和負（粉線）極化電壓下的I-V曲線,。f) 用五個光脈沖對正和負 Isc 進行開/關(guān)測試,。g) 在不同極化電壓下可切換的光伏行為，顯示出電場可調(diào)的 Isc,。h) 三層γ-InSe的計算能帶結(jié)構(gòu),。i) 計算具有向上和向下極化的γ-InSe的光學電導率，暗示體光伏效應的起源,。
圖4
圖4展示了γ-InSe中的多條滑動路徑,。a) 對極化和光照后的石墨烯/γ-InSe/石墨烯進行HAADF-STEM成像，可以看到圓頂狀疇壁,。虛線表明存在層間滑動和疇壁產(chǎn)生,。b) 同一器件的 HAADF-STEM 圖像，有多個疇壁,，其原子位置在底部極化和頂部極化時均發(fā)生重排,。c) 具有疇壁產(chǎn)生（頂部）的 InSe 單層示意圖和疇壁的側(cè)視圖（底部）。d) 關(guān)于滑動層數(shù)的所有滑動路徑,、堆疊狀態(tài)和極化狀態(tài)的總結(jié),。e) 兩個不同方向滑動路徑的能量分布曲線顯示出微小的能量差異。f) 四種典型堆疊狀態(tài)的差分電荷密度分布,。黃色和藍色等勢面分別是電子積累和耗盡,，代表了層間滑動過程中電子云的非等效分布。
圖5
圖5展示了γ-InSe隧穿器件的光響應性能,。a) 石墨烯/γ-InSe/石墨烯范德華光電探測器在不同光強下的I-V曲線,。b) 光電探測器的光響應，顯示出 388 μs 的上升時間和 538 μs 的衰減時間,。c) 石墨烯/γ-InSe/石墨烯結(jié)構(gòu)的能帶排列示意圖,。d) 在 25 μW 光照下,，石墨烯/γ-InSe/石墨烯垂直器件（紫色曲線）和 Au/γ-InSe/Au 橫向器件（藍色曲線）的I-V曲線對比。e) 兩種器件的響應度隨功率密度的變化關(guān)系,。f) 兩種器件在 1 V 外加電壓下的光電流持久性測試,。g) 基于石墨烯/γ-InSe/石墨烯光電探測器的實時成像示意圖。h) 基于 520 nm 光照射的單像素成像系統(tǒng)獲取的“BIT”標志,。
總之,，我們利用雙頻共振追蹤壓電響應力顯微鏡技術(shù)報道了未摻雜的菱面體堆疊的γ-InSe中的多向滑動鐵電性，并且利用C-AFM揭示了其多種鐵電態(tài),。通過電場和光照,，在石墨烯/γ-InSe/石墨烯隧穿器件中也展示出了光伏電流密度約為 15 毫安/平方厘米的可調(diào)光伏效應。根據(jù)透射電子顯微鏡數(shù)據(jù)和理論計算,，γ-InSe在極化翻轉(zhuǎn)過程中存在多向滑動路徑,，這為憶阻器和可調(diào)光伏應用提供了足夠數(shù)量的極化狀態(tài)。該垂直器件還具備約 255 A/W的高光電響應率以及實時成像能力,。我們的工作不僅揭示了菱面體堆疊二維材料中具有多種極化狀態(tài)的多向滑動鐵電性，還為探索滑動鐵電性在實際光電應用中的應用鋪平了道路,。
文章鏈接： https://doi.org/10.1002/adma.202416117
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