基于铁电衬底的界面应变诱导CIPS中铁电调控与增强的实验证明

 【1】研究背景

二维范德华(vdW)层状铁电材料作为铁电材料的一个新兴研究领域，近年来受到了广泛关注。与传统铁电材料相比，二维铁电材料由于层间相互作用弱，可以克服尺寸限制，即使在单层极限下也能保持稳定的铁电性。目前，一些二维材料如CuInP₂S₆ (CIPS)、WTe₂、α-In₂Se₃和SnTe等已被实验验证为铁电材料，在新型纳米电子和纳米光电子设备中显示出巨大潜力。其中，CIPS作为室温铁电绝缘体，具有直接宽带隙(≈2.9 eV)、较高居里温度(T_C≈ 320 K)和大的面外极化(≈4.15 μC cm^-2)等特性，其独特的结构使其在新型纳米电子和纳米光子器件中极具应用潜力。然而，在CIPS中，由于Cu离子的移动，外部电场驱动的畴写入会产生不稳定的畴和扩散的畴壁，甚至导致材料击穿，阻碍了其在极化器件中的应用。因此，在(CIPS)等二维铁电材料中实现精确的畴控制仍艰巨挑战。一种有效策略是通过将CIPS与铁电氧化物薄膜形成界面来控制CIPS的畴形成，但其背后的铁电调控的机制尚不明晰，特别是缺乏实验证据来证明界面应变诱导的结构畸变效应。

【2】研究工作简介

本研究采用光致发光(PL)光谱、压电力显微镜(PFM)和密度泛函理论(DFT)计算相结合的方法，阐明了基于铁电衬底的界面应变诱导CIPS中铁电调控与增强。PFM测量发现，薄层CIPS纳米片形成了与铁电薄膜PbZr_0.52Ti_0.48O₃(PZT)和P(VDF-TrFE)相同的畴结构，表明通过铁电衬底增强了CIPS的极化取向。PL光谱结合DFT计算分析显示，与在一般衬底上CIPS相比，在铁电衬底上CIPS的PL发射峰出现了显著红移现象（高达0.21eV），揭示了界面拉伸应变诱导CIPS晶格变化。通过对比分析PZT和CIPS/PZT衬底上单层MoS₂的PL光谱，证明了CIPS的极化取向与铁电衬底的极化取向为反向对齐关系。原位变温PL光谱研究表明，在铁电衬底上薄层CIPS表现出增强的T_C（>200°C）。相关研究成果以“Optical Evidence of Interfacial Strain-Induced Ferroelectric Tuning and Enhancement in CuInP₂S₆ via Ferroelectric Substrate”为题，发表在《Small》期刊上。

【3】工作的亮点、新颖性和意义

1. 提供了一种有效策略来控制CIPS极性畴。通过PFM研究，证实了基于铁电衬底增强的CIPS极化取向排列，以及纳米间隙在限制CIPS在铁电衬底上畴形成中的关键作用。

2. 开发了一种简单的光学方法来阐明界面诱导CIPS铁电调控机制。结合PL光谱和DFT计算分析，揭示了当CIPS与PZT铁电衬底接触时，CIPS会发生结构畸变，这种晶格畸变是由于PZT施加的拉伸应变所致。

3. 通过对比分析1L MoS₂/PZT和1L MoS₂/CIPS/PZT异质结构的PL光谱，证明了CIPS的极化取向与铁电衬底的极化取向是反向对齐关系。

4. 通过原位变温PL测试发现，铁电衬底上薄层CIPS表现出增强的T_C (>200°C)。

【4】论文信息

作者：Xinyi Hou, Fanyi Kong, Yunhao Tong, Haoran Li, Jianxun Dai, Yongjiang Li, Huolin Huang, Changsen Sun, Junfeng Gao, Lujun Pan, Dawei Li

文章题目：Optical Evidence of Interfacial Strain-Induced Ferroelectric Tuning and Enhancement in CuInP₂S₆ via Ferroelectric Substrate

期刊名：Small

年份：2024

DOI号：doi.org/10.1002/smll.202409879

全文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202409879