華東師范大學(xué)極化材料與器件教育部重點實驗室段純剛、鐘妮、向平華研究團隊一項研究中首次提出自發(fā)離子吸附策略實現(xiàn)低維鐵電極化的超低功耗反轉(zhuǎn)。相關(guān)研究成果以題為“Ion adsorption-induced reversible polarization switching of a van der Waals layered ferroelectric”，于1月28日發(fā)表于Nature Communications。 相關(guān)論文信息：https://www.nature.com/articles/s41467-021-20945-7。博士生徐冬冬和馬茹茹為共同第一作者，鐘妮副研究員和向平華研究員為共同通訊作者。

具有高速、低功耗和非易失性的鐵電材料在儲能、信息存儲和紅外探測方面等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。研究人員一直在尋找一種替代傳統(tǒng)電場的無功耗鐵電極化調(diào)控方式，而范德華層狀材料具有許多新奇的量子屬性和獨特的物理性質(zhì)，成為電子信息科學(xué)和凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的研究熱點。

當范德華層狀結(jié)構(gòu)與本征的室溫鐵電性相結(jié)合時，可以預(yù)見會誘發(fā)更多的新奇現(xiàn)象與潛在應(yīng)用。以室溫范德華層狀鐵電體CuInP2S6（CIPS）為例，其具有獨特的負壓電性，單軸四重勢阱、優(yōu)異鐵電極化保持性等性質(zhì)，在鐵電場效應(yīng)晶體管、鐵電隧穿結(jié)、負電容器件、光電探測器等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價值。然而，由于其具有顯著的銅離子電導(dǎo)特性，傳統(tǒng)的電場調(diào)控通常會導(dǎo)致其極性結(jié)構(gòu)的破壞，并伴隨形貌的扭曲變形，最終導(dǎo)致鐵電性的喪失。這嚴重限制了CIPS在實際器件中的應(yīng)用。因此，研發(fā)一種簡單有效、可替代傳統(tǒng)電場調(diào)控的方式已經(jīng)成為解決這一問題的關(guān)鍵。

在這項研究中，研究人員通過人工設(shè)計離子吸附界面，室溫下在范德華層狀鐵電體CIPS表面引入離子液體[DEME][TFSI]或十二烷基苯磺酸鈉Na[DDBS]水溶液，即可實現(xiàn)其鐵電疇的大面積翻轉(zhuǎn)（圖1a）。需要指出的是，在鐵電極化反轉(zhuǎn)過程中不需要施加額外的電場。反轉(zhuǎn)前后材料組分、納米片形貌、厚度等均不發(fā)生任何變化。

實驗證據(jù)和第一性原理計算結(jié)果表明CIPS的鐵電極化反轉(zhuǎn)源于固液界面處鐵電偶極子和液體中離子的相互作用（圖1b）。圖1c總結(jié)了選擇性離子吸附誘導(dǎo)鐵極化反轉(zhuǎn)的微觀過程。

圖1（a）離子吸附誘導(dǎo)的可逆鐵電疇翻轉(zhuǎn)；（b）鐵電體固液界面的電荷分布；（c）離子吸附誘導(dǎo)鐵電極化反轉(zhuǎn)的微觀過程。

段純剛表示，該研究成果通過選擇性離子吸附成功誘導(dǎo)鐵電極化反轉(zhuǎn)，為實現(xiàn)基于鐵電的數(shù)據(jù)存儲和生物傳感裝置提供了超低功耗的新策略。這一工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、上海市科技創(chuàng)新行動計劃、華東師范大學(xué)優(yōu)秀博士研究生學(xué)術(shù)能力提升計劃項目等的支持。