北理工先進(jìn)材料力學(xué)團(tuán)隊(duì)在單層壓電材料研究中取得重要進(jìn)展
發(fā)布日期：2023-07-06 供稿：宇航學(xué)院 攝影：宇航學(xué)院
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近日，北京理工大學(xué)宇航學(xué)院洪家旺教授,、王學(xué)云副教授團(tuán)隊(duì)報(bào)道了單原子層厚度的二維范德瓦爾斯CuInP2S6鐵電材料面外強(qiáng)壓電性效應(yīng)以及增強(qiáng)的電流自整流特性,，相關(guān)成果以“Strong Piezoelectricity and Improved Rectifier Properties in Mono- and Multilayered CuInP2S6”為題,，發(fā)表于國際頂級學(xué)術(shù)期刊《Advanced Functional Materials》。
二維壓電材料在柔性自供能電子開關(guān),、電子皮膚和傳感器等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景,。尤其是近年來在 h -BN、C3N4和過渡金屬二硫族化合物（2H-MX2,，M=""W,，Mo；X=S,，Se,，Te）等二維單層材料中發(fā)現(xiàn)了壓電效應(yīng)，在領(lǐng)域內(nèi)引起了廣泛關(guān)注,。然而,，大部分單層壓電材料中的壓電效應(yīng)僅限于面內(nèi)方向，面外方向壓電效應(yīng)非常微弱且電流整流比較差,，限制了二維薄層材料在垂直結(jié)構(gòu)器件中的實(shí)際應(yīng)用,。因此,，探索在面外方向上具有強(qiáng)壓電效應(yīng)和整流性質(zhì)的單層和薄層二維材料是該領(lǐng)域當(dāng)前的研究前沿。
我校宇航學(xué)院洪家旺,、王學(xué)云教授團(tuán)隊(duì)基于在范德瓦爾斯鐵電體CuInP2S6體系前期研究基礎(chǔ)上（Nature Communications, 2022, 13: 574,；Small, 2020, 16: 1904529），進(jìn)一步報(bào)道了首次成功剝離制備出單原子層厚度的CuInP2S6鐵電材料,，并發(fā)現(xiàn)其在面外方向上的強(qiáng)壓電性,，遠(yuǎn)高于現(xiàn)有單層壓電材料 (圖1)。
圖1. 單層,、雙層和三層CIPS的有效壓電系數(shù) d 33eff以及其他二維壓電材料的理論/實(shí)驗(yàn)的壓電系數(shù)匯總圖,。(A和B) 使用1 V的驅(qū)動電壓和2.8 N/m硬度的懸臂測量得到的形貌和PFM振幅圖像。沿著黑線的高度剖面表明了單層,、雙層和三層CIPS的厚度,。比例尺為1 μm。(C) 在同一區(qū)域中隨著逐漸增加驅(qū)動電壓測量得到的壓電響應(yīng),。(D) 通過在圖1A中逐漸增加驅(qū)動電壓測量得到的壓電響應(yīng)斜率計(jì)算得到的有效壓電系數(shù) d 33eff,。(E) 二維壓電材料的壓電系數(shù)總結(jié)圖。
在此基礎(chǔ)上,，通過納米探針施加應(yīng)變的同時(shí),，合理引入應(yīng)變梯度產(chǎn)生撓曲電場調(diào)控單層和多層二維材料的隧穿勢壘高度和隧穿厚度，有效提升單層和多層CuInP2S6材料的電流整流性質(zhì)（圖2和圖3）,。這些研究發(fā)現(xiàn)表明單層和多層CuInP2S6材料在垂直陣列器件結(jié)構(gòu)的傳感,、類腦計(jì)算等方面具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。
圖2. 針尖力調(diào)制三層,、雙層和單層CIPS垂直結(jié)的電流整流效應(yīng),。(A至C) 分別為三層、雙層和單層CIPS在逐漸增大的針尖力下的電流-電壓（I-V）曲線,。正負(fù)電壓端的電流比值用于描述電流整流比,。(D至F) 分別為隨著針尖力增加，三層,、雙層和單層CIPS的電流整流比結(jié)果,。
圖3. 針尖力增強(qiáng)CIPS電流整流效應(yīng)的定量分析。(A至C) 不同針尖力下典型的I-V曲線及使用梯形和三角形隧穿勢壘模型進(jìn)行擬合的結(jié)果,。(D) 不同針尖力下上下界面隧穿勢壘的變化,。插圖為隧穿勢壘的示意圖。φ1和φ2分別表示Pt/Ir針尖-樣品界面和樣品-Au襯底界面的隧穿勢壘,。(E) 針尖力為18,、72和125 nN時(shí)隧穿厚度 d T的變化。插圖為勢壘變化的示意圖。(F和G) 分別為針尖力為144 nN時(shí)計(jì)算得到的壓電場和撓曲電場（Ez-piezo和Ez-flexo）,。(H) 根據(jù)壓電/撓曲電場計(jì)算得到的針尖-樣品接觸處的表面電勢,。
北京理工大學(xué)宇航學(xué)院力學(xué)系博士后江興安、碩士生張香平,，北京大學(xué)物理系博士生牛銳銳為該論文的共同第一作者,，宇航學(xué)院力學(xué)系洪家旺教授、王學(xué)云副教授與北京大學(xué)物理系路建明教授為本論文通訊作者,。北京理工大學(xué)前沿交叉科學(xué)研究院陳亞彬教授,、博士生杜國帥對該研究工作給予了重要幫助。該研究得到了國家自然科學(xué)基金,、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃青年項(xiàng)目,、北京市自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目的支持。
全文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202213561
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