【儀表網 儀表研發】鐵電材料因具有穩定的自發極化，且在外加電場下具有可切換的極化特性，在非易失性存儲器、傳感器、場效應晶體管以及光學器件等方面具有廣闊的應用前景。與傳統的三維鐵電材料不同，二維范德華層狀鐵電材料表面沒有懸空鍵，這可降低表面能，有助于實現更小的器件尺寸。此外，傳統三維鐵電薄膜的外延生長需要合適的具有小的晶格失配的基材，而在二維層狀材料中，許多具有不同結構特性的層可以被堆疊并用于鐵電異質結構器件，不受基底的限制，從而提供了廣泛的鐵電特性可調性。某些二維層狀材料已在實驗或理論上被報道為鐵電材料，包括薄層SnTe、In2Se3、CuInP2S6、1T單層MoS2、雙層或三層WTe2、鉍氧氯化物和化學功能化的二維材料等。然而，目前對二維材料鐵電疇結構的調控及鐵電-反鐵電相變等方面缺乏系統性研究，在范德華層狀材料中實現連續的鐵電域可調性和鐵電-反鐵電相轉變仍是挑戰。
近日，中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所研究員康黎星團隊與中國人民大學教授季威團隊、南方科技大學副教授林君浩團隊、松山湖材料實驗室副研究員韓夢嬌合作，在新型二維鐵電材料鐵電疇結構的調控方面取得進展。該團隊發現了一種具有室溫本征面內鐵電極化的新型二維材料Bi2TeO5，并觀測到由插層鐵電疇壁誘導的鐵電疇大小、形狀調控機制以及由此產生的鐵電相到反鐵電相的轉變。科研人員采用CVD法合成新型的超薄室溫二維鐵電材料Bi2TeO5，通過壓電力顯微測(PFM)證實該材料存在面內的鐵電疇結構，結合電子衍射及原子尺度的能譜分析和第一性原理計算結果對其結構進行解析，結合像差校正透射電鏡對亞埃尺度的離子位移進行分析(圖1)。對Bi2TeO5中疇結構的進一步研究發現，樣品中存在大量的條狀疇結構。原子尺度結構分析和計算結果表明，由于Bi/Te插層的存在，有效降低了疇壁的應變能，從而使得180°疇壁的條狀疇能夠穩定(圖2)。研究表明，通過調控前驅體中Bi2O3和Te的比例可以有效實現180°鐵電疇寬度的調控及實現鐵電-反鐵電相的反轉(圖3、圖4)。此外，Bi/Te插層的引入除了能夠改變鐵電疇的大小，同時可以對疇壁的方向進行調控(圖5)。
本研究對Bi2TeO5室溫面內鐵電性的報道豐富了本征二維鐵電材料體系。原子插層作為新的調控單元對鐵電疇大小及方向的調控，以及由此產生的鐵電-反鐵電相變，為二維鐵電材料疇結構及相結構的調控提供了新思路，并為在未來納米器件領域的應用奠定了新的材料基礎。相關研究成果以Continuously tunable ferroelectric domain width down to the single-atomic limit in bismuth tellurite為題，發表在《自然-通訊》(Nature Communications)上。
圖1.二維層狀鐵電材料Bi2TeO5的CVD生長及結構表征。a、二維層狀Bi2TeO5的光鏡圖；b-c、樣品的表面形貌及對應的面內PFM圖像；d-f、不同方向Bi2TeO5的結構模型以及鐵電極化的產生；g-I、Bi2TeO5的原子尺度結構表征及對應的極化分布。
圖2.Bi/Te插層誘導的180°鐵電疇的形成。a、Bi2TeO5中典型條狀180°鐵電疇的面內PFM；b、180°鐵電疇壁的原子尺度HAADF-STEM圖；c-e、180°鐵電疇壁處鐵電離子位移(DBi)及晶格畸變(晶格轉角θ)的原子尺度分析；f、弛豫后180°鐵電疇的結構模型。
圖3.插層對疇寬度的調控及鐵電相到反鐵電相的轉變。a-d、具有不同周期的180°疇HAADF-STEM圖像；e-h、分別為對應圖a-d中的離子位移分布。
圖4.插層誘導的反鐵電相。a、具有反鐵電性樣品的PFM；b-d、反鐵電樣品中的原子尺度極化分布及晶格畸變分析；e、弛豫后的反鐵電相結構模型。
圖5.疇壁臺階的形成及插層對疇壁取向的影響。a-b、樣品中扇形鐵電疇的面內PFM圖像；c、扇形鐵電疇邊緣處大量臺階形成的傾斜疇壁面；d-e、疇壁臺階的原子尺度HAADF-STEM圖像及對應的離子位移分析；f、弛豫后的疇壁臺階結構模型；g、Te和O濃度對疇壁臺階形成焓的影響。
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