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(jìn)展
發(fā)布日期：2024-12-23 供稿：物理學(xué)院 攝影：物理學(xué)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(dòng)來切換界面極化,，這被稱為滑動(dòng)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(shì),。然而，揭示菱面體堆疊材料中滑動(dòng)路徑與極化狀態(tài)之間的關(guān)系仍然是一個(gè)挑戰(zhàn),，這是實(shí)現(xiàn)二維滑動(dòng)鐵電性的關(guān)鍵,。鑒于此，北京理工大學(xué)鄭守君研究員和三峽大學(xué)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(xué)為第一單位,，Adv. Mater. , 2416117, (2024)）,。在這項(xiàng)研究中，我們利用雙頻共振追蹤壓電響應(yīng)力顯微鏡（Dart-PFM）,，導(dǎo)電原子力顯微鏡（C-AFM）和掃描隧道顯微鏡（STEM）對(duì)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(dòng)路徑進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,。這種多向滑動(dòng)機(jī)制通過電場(chǎng)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(yīng)。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(dòng)機(jī)制,，這與理論計(jì)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(dòng)鐵電性，還突顯了它們?cè)诳烧{(diào)節(jié)光伏和成像應(yīng)用中的潛力,。
我們通過雙頻共振追蹤壓電響應(yīng)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(dòng)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(yīng),，光伏電流密度約為15 mA/cm2,。實(shí)驗(yàn)中觀察到了不同疇壁形狀的產(chǎn)生，根據(jù)我們的理論計(jì)算,，這歸因于多方向滑動(dòng)誘導(dǎo)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(yīng)率和用于實(shí)時(shí)成像的快速響應(yīng)時(shí)間,，并且石墨烯/γ-InSe/石墨烯器件還具有高光電響應(yīng)性和用于實(shí)時(shí)成像應(yīng)用的快速響應(yīng)時(shí)間,。我們的工作不僅豐富了滑動(dòng)鐵電機(jī)制，還為開發(fā)二維滑動(dòng)鐵電體在光伏,、神經(jīng)計(jì)算和成像等應(yīng)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(dòng),。a) 雙層γ-InSe的俯視圖，顯示了從 InSe 頂層到底層的三個(gè)滑動(dòng)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(dòng)后極化發(fā)生轉(zhuǎn)變的側(cè)視圖。d) 雙層γ-InSe在向右滑動(dòng)后極化發(fā)生轉(zhuǎn)變的側(cè)視圖,。e) 雙層γ-InSe所有滑動(dòng)方向的總結(jié),，包括第一次和第二次滑動(dòng)過程，用圓圈數(shù)字表示,。粉色和藍(lán)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(jì)算能量圖，顯示 AB 和 BA 堆疊構(gòu)型能量最低,。通過沿著鞍點(diǎn)（SP）滑動(dòng)可以切換兩種極化狀態(tài),。g) 所有堆疊構(gòu)型的計(jì)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(dòng)鐵電性,。a) 用Dart-PFM以寫疇模式（±9 V）對(duì) 23 納米厚的γ-InSe薄片進(jìn)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(chǎng)相位和振幅磁滯回線有兩個(gè)循環(huán),。c) 在 ±6 V 電場(chǎng)下對(duì) 10 納米厚的 γ-InSe薄片進(jìn)行的 KPFM 映射,。沿白色虛線的 KPFM 振幅（藍(lán)線）圖示于插圖中。d) 通過C-AFM測(cè)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(yīng),。a) 石墨烯/γ-InSe/石墨烯結(jié)的示意圖,。b) 隧穿器件的光學(xué)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(cè)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(qiáng)下的 I - V 曲線,。e) 在正（藍(lán)線）和負(fù)（粉線）極化電壓下的I-V曲線。f) 用五個(gè)光脈沖對(duì)正和負(fù) Isc 進(jìn)行開/關(guān)測(cè)試,。g) 在不同極化電壓下可切換的光伏行為,，顯示出電場(chǎng)可調(diào)的 Isc。h) 三層γ-InSe的計(jì)算能帶結(jié)構(gòu),。i) 計(jì)算具有向上和向下極化的γ-InSe的光學(xué)電導(dǎo)率,，暗示體光伏效應(yīng)的起源。
圖4
圖4展示了γ-InSe中的多條滑動(dòng)路徑,。a) 對(duì)極化和光照后的石墨烯/γ-InSe/石墨烯進(jìn)行HAADF-STEM成像,，可以看到圓頂狀疇壁。虛線表明存在層間滑動(dòng)和疇壁產(chǎn)生,。b) 同一器件的 HAADF-STEM 圖像,，有多個(gè)疇壁，其原子位置在底部極化和頂部極化時(shí)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(dòng)層數(shù)的所有滑動(dòng)路徑,、堆疊狀態(tài)和極化狀態(tài)的總結(jié),。e) 兩個(gè)不同方向滑動(dòng)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(lán)色等勢(shì)面分別是電子積累和耗盡,，代表了層間滑動(dòng)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(yīng)性能,。a) 石墨烯/γ-InSe/石墨烯范德華光電探測(cè)器在不同光強(qiáng)下的I-V曲線,。b) 光電探測(cè)器的光響應(yīng)，顯示出 388 μs 的上升時(shí)間和 538 μs 的衰減時(shí)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(lán)色曲線）的I-V曲線對(duì)比,。e) 兩種器件的響應(yīng)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(cè)試。g) 基于石墨烯/γ-InSe/石墨烯光電探測(cè)器的實(shí)時(shí)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(biāo)志,。
總之，我們利用雙頻共振追蹤壓電響應(yīng)力顯微鏡技術(shù)報(bào)道了未摻雜的菱面體堆疊的γ-InSe中的多向滑動(dòng)鐵電性,，并且利用C-AFM揭示了其多種鐵電態(tài),。通過電場(chǎng)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(yīng),。根據(jù)透射電子顯微鏡數(shù)據(jù)和理論計(jì)算,，γ-InSe在極化翻轉(zhuǎn)過程中存在多向滑動(dòng)路徑,，這為憶阻器和可調(diào)光伏應(yīng)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(yīng)率以及實(shí)時(shí)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(dòng)鐵電性,，還為探索滑動(dòng)鐵電性在實(shí)際光電應(yīng)用中的應(yīng)用鋪平了道路。
文章鏈接： https://doi.org/10.1002/adma.202416117
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