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北理工課題組在多方向滑移鐵電材料研究方面取得重要進(jìn)展

研發(fā)快訊 2024年12月25日 08:56:04來源:北京理工大學(xué) 15257
摘要通過二維材料的堆疊技術(shù),可通過層間滑動(dòng)來切換界面極化,這被稱為滑動(dòng)鐵電性,它在超薄厚度、高切換速度和高抗疲勞性方面具有優(yōu)勢。

  【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】通過二維材料的堆疊技術(shù),可通過層間滑動(dòng)來切換界面極化,這被稱為滑動(dòng)鐵電性,它在超薄厚度、高切換速度和高抗疲勞性方面具有優(yōu)勢。然而,揭示菱面體堆疊材料中滑動(dòng)路徑與極化狀態(tài)之間的關(guān)系仍然是一個(gè)挑戰(zhàn),這是實(shí)現(xiàn)二維滑動(dòng)鐵電性的關(guān)鍵。鑒于此,北京理工大學(xué)鄭守君研究員和三峽大學(xué)楊柳博士共同合作在Advanced Materials在線發(fā)表“Multidirectional Sliding Ferroelectricity of Rhombohedral-stacked InSe for Reconfigurable Photovoltaics and Imaging Applications”的研究成果(北京理工大學(xué)為第一單位,Adv. Mater. , 2416117, (2024))。在這項(xiàng)研究中,我們利用雙頻共振追蹤壓電響應(yīng)力顯微鏡(Dart-PFM),導(dǎo)電原子力顯微鏡(C-AFM)和掃描隧道顯微鏡(STEM)對菱面體堆疊的 InSe(γ-InSe)中與層相關(guān)的自發(fā)極化狀態(tài)和多向滑動(dòng)路徑進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。這種多向滑動(dòng)機(jī)制通過電場確保了石墨烯/γ-InSe/石墨烯范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的可調(diào)體光伏效應(yīng)。掃描透射電子顯微鏡(STEM)數(shù)據(jù)闡明了多層γ-InSe 中的疇壁產(chǎn)生和多向滑動(dòng)機(jī)制,這與理論計(jì)算結(jié)果一致。我們的工作不僅深入了解了菱面體堆疊二維材料的多向滑動(dòng)鐵電性,還突顯了它們在可調(diào)節(jié)光伏和成像應(yīng)用中的潛力。
 
  我們通過雙頻共振追蹤壓電響應(yīng)力顯微鏡和掃描透射電子顯微鏡研究γ-InSe中與層相關(guān)的多向滑動(dòng)鐵電性。由于存在多種極化狀態(tài),石墨烯/γ-InSe/石墨烯隧穿器件展現(xiàn)出可調(diào)節(jié)的體光伏效應(yīng),光伏電流密度約為15 mA/cm²。實(shí)驗(yàn)中觀察到了不同疇壁形狀的產(chǎn)生,根據(jù)我們的理論計(jì)算,這歸因于多方向滑動(dòng)誘導(dǎo)的滑移鐵電疇。此外,γ-InSe中的鐵電極化確保了隧穿器件具有約255 A/W 的高光電響應(yīng)率和用于實(shí)時(shí)成像的快速響應(yīng)時(shí)間,并且石墨烯/γ-InSe/石墨烯器件還具有高光電響應(yīng)性和用于實(shí)時(shí)成像應(yīng)用的快速響應(yīng)時(shí)間。我們的工作不僅豐富了滑動(dòng)鐵電機(jī)制,還為開發(fā)二維滑動(dòng)鐵電體在光伏、神經(jīng)計(jì)算和成像等應(yīng)用中鋪平了道路。
 
圖1
 
  圖1展示的菱面體堆疊的 InSe 的多向?qū)娱g滑動(dòng)。a) 雙層γ-InSe的俯視圖,顯示了從 InSe 頂層到底層的三個(gè)滑動(dòng)方向。b) 雙層γ-InSe沿AC方向的側(cè)視圖。c) 雙層γ-InSe 在向左滑動(dòng)后極化發(fā)生轉(zhuǎn)變的側(cè)視圖。d) 雙層γ-InSe在向右滑動(dòng)后極化發(fā)生轉(zhuǎn)變的側(cè)視圖。e) 雙層γ-InSe所有滑動(dòng)方向的總結(jié),包括第一次和第二次滑動(dòng)過程,用圓圈數(shù)字表示。粉色和藍(lán)色分別代表向上和向下的極化。f) 具有全堆疊構(gòu)型的雙層γ-InSe的計(jì)算能量圖,顯示 AB 和 BA 堆疊構(gòu)型能量最低。通過沿著鞍點(diǎn)(SP)滑動(dòng)可以切換兩種極化狀態(tài)。g) 所有堆疊構(gòu)型的計(jì)算極化圖。h) HAADF-STEM圖像,顯示了具有向下極化的γ-InSe三層結(jié)構(gòu)。i) 具有向上極化的γ-InSe三層結(jié)構(gòu)的原子圖像。
 
圖2
 
  圖2展示了具有多態(tài)性的γ-InSe滑動(dòng)鐵電性。a) 用Dart-PFM以寫疇模式(±9 V)對 23 納米厚的γ-InSe薄片進(jìn)行相位映射,清楚地顯示出可切換的鐵電OOP相位。b) PFM的外場相位和振幅磁滯回線有兩個(gè)循環(huán)。c) 在 ±6 V 電場下對 10 納米厚的 γ-InSe薄片進(jìn)行的 KPFM 映射。沿白色虛線的 KPFM 振幅(藍(lán)線)圖示于插圖中。d) 通過C-AFM測量得到的 3.9 納米厚的 InSe 薄片的I-V曲線,具有明顯的磁滯和多次電流跳躍。AFM圖像和厚度顯示在底部插圖中,能帶排列顯示在頂部插圖中。e) 2.9 納米厚的InSe薄片的 I-V曲線,顯示出較少的電流跳躍。f) 6 納米厚的InSe薄片的I-V曲線,顯示出更多的電流跳躍,表明根據(jù)層數(shù)的不同存在多態(tài)性。
 
圖3
 
  圖3展示了石墨烯/γ-InSe/石墨烯隧穿器件中的可調(diào)體光伏效應(yīng)。a) 石墨烯/γ-InSe/石墨烯結(jié)的示意圖。b) 隧穿器件的光學(xué)圖像,其中紅色陰影區(qū)域是γ-InSe 薄片,黑色陰影區(qū)域是兩塊石墨烯薄片,白色陰影區(qū)域是用于光伏測試的范德華結(jié)的核心區(qū)域。c) 隧穿器件的 Isc(短路電流)映射,清楚地顯示出 Isc 源自隧穿器件的核心區(qū)域。d) 在 520 nm 光從 5 μW 到 35 μW 不同光強(qiáng)下的 I - V 曲線。e) 在正(藍(lán)線)和負(fù)(粉線)極化電壓下的I-V曲線。f) 用五個(gè)光脈沖對正和負(fù) Isc 進(jìn)行開/關(guān)測試。g) 在不同極化電壓下可切換的光伏行為,顯示出電場可調(diào)的 Isc。h) 三層γ-InSe的計(jì)算能帶結(jié)構(gòu)。i) 計(jì)算具有向上和向下極化的γ-InSe的光學(xué)電導(dǎo)率,暗示體光伏效應(yīng)的起源。
 
圖4
 
  圖4展示了γ-InSe中的多條滑動(dòng)路徑。a) 對極化和光照后的石墨烯/γ-InSe/石墨烯進(jìn)行HAADF-STEM成像,可以看到圓頂狀疇壁。虛線表明存在層間滑動(dòng)和疇壁產(chǎn)生。b) 同一器件的 HAADF-STEM 圖像,有多個(gè)疇壁,其原子位置在底部極化和頂部極化時(shí)均發(fā)生重排。c) 具有疇壁產(chǎn)生(頂部)的 InSe 單層示意圖和疇壁的側(cè)視圖(底部)。d) 關(guān)于滑動(dòng)層數(shù)的所有滑動(dòng)路徑、堆疊狀態(tài)和極化狀態(tài)的總結(jié)。e) 兩個(gè)不同方向滑動(dòng)路徑的能量分布曲線顯示出微小的能量差異。f) 四種典型堆疊狀態(tài)的差分電荷密度分布。黃色和藍(lán)色等勢面分別是電子積累和耗盡,代表了層間滑動(dòng)過程中電子云的非等效分布。
 
圖5
 
  圖5展示了γ-InSe隧穿器件的光響應(yīng)性能。a) 石墨烯/γ-InSe/石墨烯范德華光電探測器在不同光強(qiáng)下的I-V曲線。b) 光電探測器的光響應(yīng),顯示出 388 μs 的上升時(shí)間和 538 μs 的衰減時(shí)間。c) 石墨烯/γ-InSe/石墨烯結(jié)構(gòu)的能帶排列示意圖。d) 在 25 μW 光照下,石墨烯/γ-InSe/石墨烯垂直器件(紫色曲線)和 Au/γ-InSe/Au 橫向器件(藍(lán)色曲線)的I-V曲線對比。e) 兩種器件的響應(yīng)度隨功率密度的變化關(guān)系。f) 兩種器件在 1 V 外加電壓下的光電流持久性測試。g) 基于石墨烯/γ-InSe/石墨烯光電探測器的實(shí)時(shí)成像示意圖。h) 基于 520 nm 光照射的單像素成像系統(tǒng)獲取的“BIT”標(biāo)志。
 
  總之,我們利用雙頻共振追蹤壓電響應(yīng)力顯微鏡技術(shù)報(bào)道了未摻雜的菱面體堆疊的γ-InSe中的多向滑動(dòng)鐵電性,并且利用C-AFM揭示了其多種鐵電態(tài)。通過電場和光照,在石墨烯/γ-InSe/石墨烯隧穿器件中也展示出了光伏電流密度約為 15 毫安/平方厘米的可調(diào)光伏效應(yīng)。根據(jù)透射電子顯微鏡數(shù)據(jù)和理論計(jì)算,γ-InSe在極化翻轉(zhuǎn)過程中存在多向滑動(dòng)路徑,這為憶阻器和可調(diào)光伏應(yīng)用提供了足夠數(shù)量的極化狀態(tài)。該垂直器件還具備約 255 A/W的高光電響應(yīng)率以及實(shí)時(shí)成像能力。我們的工作不僅揭示了菱面體堆疊二維材料中具有多種極化狀態(tài)的多向滑動(dòng)鐵電性,還為探索滑動(dòng)鐵電性在實(shí)際光電應(yīng)用中的應(yīng)用鋪平了道路。

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