Small:二维材料中挠曲电诱导的面外压电性

超薄二维压电材料(比如氮化硼、过渡金属二硫化物、Ⅲ族硫化物和Ⅲ族硒化物等)因具有压电性和机械柔性等特点,近年来引起了人们极大的研究兴趣。然而,由于晶格对称性的限制,这些材料仅在面内存在本征压电性。同时,作为一类典型的二维压电材料,二硫化钼等过渡金属二硫化物的压电性仅存在于奇数少层内,而在偶数层中不显现压电性。这些因素极大的限制了二维压电材料的应用以及工业中的批量生产。此外,传统的PFM测试手段难以量化超薄二维材料的面内压电,并且二维材料与衬底之间的耦合也影响着面外压电的测试结果。近年来,二维材料中的挠曲电效应受到研究者的广泛关注。虽然挠曲电效应广泛存在于介电材料中,但其在块体材料中不甚明显。反之,柔性二维材料易于产生大的形变,因此可以通过挠曲电效应诱导产生较强的面外机电耦合。

最近,华东师范大学物理与电子科学学院上海市极化材料多功能磁光光谱技术服务平台胡志高研究团队通过PFM对悬空的弯曲二维材料中存在的面外机电耦合效应进行了深入而细致的研究。他们将单层和少层的MoS2以及少层的InSe转移到带孔的衬底上,在悬空部分材料发生弯曲从而形成应变梯度。这一应变梯度在弯曲薄膜中诱导出法向的偶极矩,使得薄膜具有了等效的面外压电性,即挠曲电响应。利用PFM技术可以对弯曲薄膜的有效面外压电系数进行量化和系统的研究。该悬空的设计还可以避免衬底效应对测试结果的影响。测试表明,有效的面外压电响应只存在于弯曲的区域,而在平坦区域无响应。证实了响应来自于应变梯度诱导的挠曲电响应而非材料本征的压电性。值得强调的是,研究结果表明弯曲薄膜中的挠曲电响应呈现明显的曲率依赖与厚度依赖关系,测得有效的面外压电系数与曲率半径和厚度乘积的倒数成正比。此外,在单层MoS2测得的面外压电系数大约为7.5 pm/V,这一数值在7.5 nm厚的InSe中达到21.9 pm/V。 该工作中,作者提出了一种简单可行的方法获得并量化了二维材料的有效面外机电耦合。研究者相信,此项研究将对二维材料中挠曲电效应的研究具有指导意义,并为二维压电材料的潜在应用与新型压电器件的设计和发展提供了新的可能。相关工作以“Probing Effective Out-of-Plane Piezoelectricity in van der Waals Layered Materials Induced by Flexoelectricity”为题,发表在Small (DOI:10.1002/smll.201903106)上。该课题得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金以及上海市科委等项目的资助与支持。文章第一作者为华东师范大学博士生汪翔以及崔安阳博士,华东师范大学胡志高教授为通讯作者。