中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
近年來(lái)，以CuInP2S6（CIPS）為代表的范德華（vdW）層狀鐵電材料受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注，因為其在單原子層極限下仍能保持穩定的鐵電性，同時(shí)在納米電子學(xué)和光電子學(xué)等領(lǐng)域展現出巨大的應用潛力。近日，光儀學(xué)院李大衛教授團隊在范德華層狀鐵電CIPS研究領(lǐng)域取得新進(jìn)展，解決了如何實(shí)現CIPS及其異質(zhì)結構中的非線(xiàn)性光學(xué)響應探測與調控，如何在CIPS等層狀鐵電材料中實(shí)現精確的疇控制等關(guān)鍵挑戰。相關(guān)研究成果先后被納米科學(xué)領(lǐng)域知名期刊《美國化學(xué)學(xué)會(huì )納米雜志》（ACS Nano）、納米材料領(lǐng)域著(zhù)名期刊《微尺度》（Small）等刊發(fā)。
CIPS作為一種具有室溫以上居里溫度（TC）的vdW層狀鐵電材料，展現出強大的電學(xué)和光學(xué)特性。CIPS可與其他vdW材料形成鐵電異質(zhì)結構，使其在多功能和可重構光電器件領(lǐng)域中具有巨大應用前景，例如非易失性存儲器、負電容晶體管、鐵電二極管和隧道結等。然而，關(guān)于CIPS及其異質(zhì)結構的非線(xiàn)性光學(xué)響應研究仍較為有限。因此，如何實(shí)現CIPS及其異質(zhì)結構中的非線(xiàn)性光學(xué)響應探測與調控，對于理解vdW鐵電非線(xiàn)性光學(xué)性質(zhì)，以及實(shí)現vdW鐵電異質(zhì)結構在納尺度非線(xiàn)性光學(xué)調制器、光信息存儲和非線(xiàn)性光學(xué)成像中的應用，具有重要的科學(xué)和應用價(jià)值。
鑒于此，大連理工大學(xué)李大衛教授團隊與美國內布拉斯加林肯大學(xué)洪霞教授團隊合作，率先在CIPS及其與單層MoS2異質(zhì)結構中觀(guān)察到巨大且可調的二次諧波（SHG）響應。研究表明，CIPS在從少層到塊體的厚度范圍內均表現出強烈的SHG響應，且各向異性顯著(zhù)，表明其非中心對稱(chēng)結構的有效性。通過(guò)與單層MoS2形成異質(zhì)結界面，實(shí)現了對CIPS中SHG響應的強調控，表明CIPS/二維半導體異質(zhì)結構在非線(xiàn)性光學(xué)應用中的巨大潛力。通過(guò)結合偏振、溫度和厚度依賴(lài)的SHG和光致發(fā)光光譜分析，揭示了CIPS/MoS2異質(zhì)結構中SHG信號的調控機制主要來(lái)源于光吸收介導界面耦合，而非材料極性對稱(chēng)性，這一發(fā)現為理解和設計新型非線(xiàn)性光電材料與器件提供了新視角。相關(guān)研究成果以“單層MoS2界面誘導范德華層狀鐵電CuInP2S6二次諧波響應巨大調控”（Giant Modulation of Second-Harmonic Generation in CuInP2S6by Interfacing with MoS2Atomic Layers）為題發(fā)表在《美國化學(xué)學(xué)會(huì )納米雜志》（ACS Nano）（2024,18,32890.影響因子：17.1），光儀學(xué)院碩士生侯心怡為（除導師外）第一作者，李大衛教授、洪霞教授為通訊作者。
另外，vdW層狀鐵電材料CIPS作為室溫鐵電絕緣體，具有直接寬帶隙（≈2.9eV）、較高居里溫度（TC≈320K）和大的面外極化（≈4.15μC/cm2）等特性，其獨特結構使其在新型納米電子和納米光子器件中極具應用潛力。然而，在CIPS中，由于Cu離子的移動(dòng)，外部電場(chǎng)驅動(dòng)的疇寫(xiě)入會(huì )產(chǎn)生不穩定的疇和擴散的疇壁，甚至導致材料擊穿，阻礙了其在極化依賴(lài)器件中的應用。因此，在CIPS等層狀鐵電材料中實(shí)現精確的疇控制仍然是一個(gè)挑戰。一種有效策略是通過(guò)將CIPS與鐵電氧化物薄膜形成界面來(lái)控制CIPS的疇形成，但其背后的鐵電調控機制尚不明晰，特別是缺乏實(shí)驗證據來(lái)證明界面應變誘導的結構畸變效應。
鑒于此，李大衛教授團隊采用光致發(fā)光（PL）光譜、壓電力顯微鏡（PFM）和密度泛函理論（DFT）計算相結合的方法，闡明了基于鐵電襯底的界面應變誘導CIPS中鐵電調控與增強。PFM測試發(fā)現，薄層CIPS納米片形成了與PZT和P（VDF-TrFE）鐵電薄膜相同的疇結構，表明通過(guò)鐵電襯底增強了CIPS的極化取向。PL光譜結合DFT計算分析顯示，與在一般襯底上CIPS相比，在鐵電襯底上CIPS的PL發(fā)射峰出現了顯著(zhù)的紅移（高達0.21eV），從而揭示了界面拉伸應變誘導的CIPS晶格變化。通過(guò)比較分析PZT和CIPS/PZT上的單層MoS2的PL光譜，證明了CIPS的極化取向與鐵電襯底的極化取向是反向對齊關(guān)系。原位變溫PL光譜研究表明，在鐵電襯底上的薄層CIPS表現出增強的TC（>200℃）。相關(guān)研究成果以“基于鐵電襯底的界面應變誘導CuInP2S6中鐵電調控與增強的實(shí)驗證明”（Optical Evidence of Interfacial Strain-Induced Ferroelectric Tuning and Enhancement in CuInP2S6via Ferroelectric Substrate）為題，發(fā)表在《微尺度》（Small）（2024,2409879.影響因子：13.0），碩士生侯心怡為第一作者，李大衛教授為通訊作者。
以上研究工作得到國家自然科學(xué)基金面上項目、青年人才項目、教育部春暉計劃合作科研項目、遼寧省自然科學(xué)基金面上項目、我校才引進(jìn)專(zhuān)項等多個(gè)項目的大力支持。
文章來(lái)源：大連理工大學(xué)
