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西安交大科研團隊在層狀反鐵電材料研究領域取得重要進展

來源：西安交通大學      2024-04-12
導讀：近期，西安交通大學與中國科學技術大學、湖南師范大學、南京大學等單位合作，在二維層狀反鐵電材料實驗研究中取得突破性進展，在該體系中首次獲得本征六重極化態(tài)，提出了垂直鐵電/反鐵電疇堆疊耦合實現(xiàn)的本征六態(tài)和四態(tài)機制。該成果3月26日以《反鐵電CuInP2S6中實現(xiàn)六重極化態(tài)及其態(tài)間轉換》（Realization of sextuple polarization states and interstate switching in antiferroelectric CuInP2S6）為題在線發(fā)表于《自然·通訊》（Nature Communications）。西安交通大學材料學院李桃教授和碩士研究生吳永毅為文章共同第一作者，西安交通大學閔泰教授、中國科學技術大學張振宇教授、湖南師范大學陳明星教授為共同通訊作者。
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在當今數(shù)字化社會，隨著信息量的指數(shù)級增長，對于存儲技術的需求也在不斷升級，特別是高密度、低功耗的存儲技術成為研究熱點之一。其中，非易失性多態(tài)存儲器可以在單個物理元件中存儲多于“0”和“1”的多個狀態(tài)，具有更高信息密度、更低能耗、更低成本等優(yōu)勢。最新發(fā)現(xiàn)鐵電材料可以以多種極化狀態(tài)存在，每種極化狀態(tài)對應于材料中偶極子的不同構型，也就是本征多極化態(tài)，區(qū)別于一些鐵電器件中測得的多個電阻態(tài)。目前實驗報道的具有本征多重極化態(tài)的鐵電材料少之又少。原則上來說，本征多極化態(tài)具有更穩(wěn)定、更持久、更靈活、更低成本等優(yōu)勢，可免于非本征多態(tài)器件中所需的額外激勵條件或復雜制備工藝。
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（a）基于壓電力顯微鏡的電滯回線測試示意圖；（b）-（d）CuInP2S6樣品六重極化態(tài)轉換（S-1到S-6）的相位（Phase）、振幅（Amplitude）和壓電響應（Piezoresponse）的滯回曲線；（e）具有六態(tài)、四態(tài)和二態(tài)極化態(tài)數(shù)的CuInP2S6薄膜矯頑場（Vc）的分布圖。

在該研究工作中，研究團隊利用化學氣相輸運法成功合成了高質量二維CuInP2S6單晶，利用壓電力顯微鏡高分辨表征技術（圖1a）結合第一性原理計算，率先在CuInP2S6薄膜中明確展示了六重本征極化態(tài)（圖1b-d），是目前眾多鐵電材料中（包括傳統(tǒng)氧化物鐵電以及二范德華維鐵電）獲得最多數(shù)量的本征極化態(tài)，成功打破了在三維以及二維鐵電體系中實現(xiàn)的四重極化態(tài)的現(xiàn)狀。并且在CuInP2S6的極化翻轉過程中，發(fā)現(xiàn)了不同于傳統(tǒng)鐵電材料的非常規(guī)現(xiàn)象，即具有不同極化態(tài)數(shù)目（六、四、二）的極化階之間可逆轉換的現(xiàn)象，打破了鐵電材料具有固定極化階的傳統(tǒng)認知。
這些新穎的物理現(xiàn)象不僅為我們理解二維層狀鐵電材料提供了新的視角，也為設計新型非布爾型納米電子器件打開了大門，并且其底層機制可以?啟發(fā)同類型層狀功能材料的設計與開發(fā)。
該項工作得到了國家重點研發(fā)計劃、鵬城實驗室重大重點項目、國家自然科學基金等科研項目的支持。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41467-024-46891-8


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