二维铁电体因其具有内禀铁电极化、天然柔性力学特性、原子级别厚度、以及同其它二维材料易于集成范德华异质结等优异特性，有望应用于微型化的铁电功能器件等领域。目前，利用先进的纳米级精度的扫描探针技术，在“二维铁电体/半导体”异质结中，能够精确地写入或擦除纳米级的铁电畴图案，有望用于设计和开发可编程纳米畴图案的功能性微电子器件。纳米级铁电畴图案的写入和擦除，其物理本质是铁电畴的极化翻转，因此可编程铁电畴器件的性能取决于铁电畴极化翻转的难易程度以及写畴速度。

利用扫描探针技术，除了通过传统的外加电场翻转铁电极化外，针尖施加应力产生的挠曲电效应，也可诱导铁电畴的极化翻转。理论上，铁电畴的翻转不是均匀或瞬间发生的，而是涉及到反向极化畴的成核和长大的动态过程。然而，二维范德华铁电材料中利用纳米级探针构建铁电畴图案时，在动态的铁电畴操控过程中，写畴速度对铁电极化翻转所需的临界电场或临界应力的影响规律，迄今未见报道。

近日，西安交通大学材料学院的邓俊楷教授课题组，基于具有自发极化的二维α-In₂Se₃铁电体，成功制备出超薄的单层α-In₂Se₃纳米片（~1.2 nm厚），并利用压电力显微镜（PFM），发现了α-In₂Se₃铁电体中极化翻转的写畴速度依赖效应。研究结果表明，铁电极化翻转所需的临界电压或临界应力随着写畴速度的增加而增大。理论模拟结果表明，在相同的外加应力下，较高的写畴速度会使“有效应变梯度”的区域减小，使得由挠曲电效应诱发的反向铁电畴形核的尺寸减小，阻碍了反向铁电畴的成核和长大。因此，在相同应力、较高写畴速度下，铁电极化翻转所需的临界应力增大。

然而，在实现较高速度写入铁电畴图案时，畴翻转所需临界应力的增大将对二维范德华铁电材料造成机械疲劳或结构损伤。为减小铁电畴极化翻转所需的临界应力，研究人员提出了电力耦合的调控策略，以便有效降低在较高写畴速度下翻转铁电畴所需的临界应力。在二维α-In₂Se₃中，利用电力耦合的调控策略，获得了铁电极化翻转的超低临界应力。这些结果为二维范德华铁电体极化的低功耗翻转提供了有效策略，也为二维范德华铁电体在高速可编程铁电纳米畴功能器件领域的应用提供实际帮助和理论指导。

研究成果最近分别以《单层α-In₂Se₃中铁电畴翻转阈值的写畴速度依赖效应》（Writing-Speed Dependent Thresholds of Ferroelectric Domain Switching in Monolayer α-In₂Se₃）为题发表于国际期刊Small Methods（IF=15.37）。西安交通大学为论文的第一作者和第一通讯单位。本项研究得到了国家自然科学基金面上项目、陕西省重点研发计划、创新引智111计划2.0项目的资助。研究也得到了西安交通大学高算平台和西安未来人工智能计算中心提供的超算算力和技术支持。

论文链接:

https://doi.org/10.1002/smtd.202300050