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香港理工郝建華教授團隊，最新Nature子刊！

成果簡介

多鐵性材料因同時具備鐵電性和鐵磁性引起廣泛興趣，其獨特的物理特性在先進器件應用方面具有極大的潛力。然而，在傳統的多鐵性材料中，尺寸效應、懸掛鍵和界面效應嚴重限制了其在納米尺度器件應用中的潛力。最近的理論和實驗研究表明了在范德華層狀CuCrP₂S₆（CCPS）中實現二維多鐵性的可能性。然而，由于在CCPS中引入的磁性Cr離子，導致了反鐵電和反鐵磁性，使得CCPS宏觀上自發極化消失。

基于此，香港理工大學郝建華講座教授（通訊作者）、博士生姚泳芙(第一作者)等人報道了在室溫下直接觀察二維CCPS的面外鐵電特性。通過壓電力顯微鏡測試，充分展示了二維CCPS納米片中鐵電極化狀態的翻轉特性。此外，在低至2.6納米（四層）的CCPS納米片中，展示了外加電場可控的鐵電極化翻轉和電滯回線現象。通過原子分辨掃描透射電子顯微鏡的使用，揭示了室溫下二維CCPS的鐵電性源自層內銅離子在垂直方向上偏離中心位置，從而產生自發的鐵電極化現象。此外，基于二維CCPS鐵電性制作的納米器件進一步展示了其在非易失性存儲器件以及通過CCPS構建異質結構制作新型多鐵性器件中的潛在應用價值。此內容已發表于期刊《Nature Communications》。

研究背景

多鐵性材料在基礎研究和各種技術應用方面具有極高的需求和潛力。但是，在單相材料中同時實現鐵電性和鐵磁性具有巨大挑戰，這也導致多鐵性材料相對較為罕見。CuCrP₂S₆（CCPS）由于與鐵電材料CuInP₂S₆(CIPS)的相似性以及內含的磁性Cr離子，被認為是實現低維多鐵性的潛在候選材料。盡管如此，目前還缺乏確鑿的證據證明CCPS在室溫下具備鐵電特性，并且對其鐵電性產生機制的詳細探究也尚未展開。

圖文導讀

晶體結構與鐵電特性表征

拉曼光譜、XRD 和 TEM 結果表明研究工作中使用的CCPS晶體具有高結晶性。通過壓電響應力顯微鏡 (PFM),和二次諧波(SHG)顯微鏡,作者展示了二維范德華層狀結構CCPS具有穩定的室溫面外鐵電特性。在偏壓的施加下，從塊狀到只有四層厚度的CCPS納米片中均表現出垂直方向的鐵電極化翻轉和電滯回線現象。

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圖1. 范德華層狀結構材料CCPS的結構表征

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圖2. 超薄CCPS納米片的PFM表征和分析

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圖3. CCPS納米片中的電極化翻轉

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圖4. CCPS納米片的溫度依賴性分析

CCPS室溫面外鐵電的產生機制

透過原子分辨掃描透射電子顯微鏡(HAADF-STEM)圖像，作者展示了在相反鐵電極化結構CCPS層內銅離子的位置,并揭示了二維材料CCPS的鐵電特性源自其層內的銅離子在垂直方向偏離中心排序,因而產生自發的鐵電極化現象。

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圖5. CCPS剖面的原子分辨STEM結果分析

鐵電納米器件

二維材料具有無懸掛鍵表面和弱層間作用力的優勢，可以輕易集成異質結構，并在各種應用上展現出巨大的前景。為展示二維鐵電材料CCPS的潛在應用，作者構建了由垂直堆疊的CCPS納米片和單層石墨烯組成的鐵電隧穿結（FTJ），以及由CCPS納米片和Pt 組成的垂直鐵電二極管。電傳輸特性測量結果表明基于二維CCPS的鐵電二極管具有良好的可重復性和可靠度。在超過20次循環的電傳輸特性測量中, 鐵電二極管的電滯行為和極化翻轉電壓幾乎一致，說明基于二維CCPS的納米器件具有良好的可重復性。經過1500次循環讀取后，CCPS納米器件的開關比仍能維持在兩個數量級，表明CCPS中鐵電極化的狀態保持良好。

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圖6. 基于CCPS的鐵電納米器件的演示

文獻信息

Direct observation of intrinsic room-temperature ferroelectricity in 2D layered CuCrP₂S₆, Nature Communications,2023, DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-023-43097-2.

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