Small:二维层状铁电材料CuInP2S6内厚度依赖的面内极化和结构相变

二维层状材料由于其独特的尺寸效应引起的多种新奇量子态和出色的物理性质,成为了未来可用作催化、电子、光电、自旋器件的重要候选材料。如果二维(2D)范德华层状材料具有被广泛应用的铁性功能(如长程磁性或铁电有序化等),且在不同相态下具有不同的物理性质,则可以预见会具有许多新的现象和潜在的应用。考虑到二维长程磁有序的低温性,铁电为室温下实现高密度存储器件开辟了可能的途径。但是由于表面能的变化、静电掺杂等原因,当尺寸达到临界相关长度以下时,铁电极化材料的铁电极化可能存在结构相变。其复杂的内在机制,尚未被完全理解。而具有本征铁电性的范德华层状材料可有助于揭示2D铁电性的基本物理。

北京理工大学宇航学院洪家旺教授和王学云副研究员及其合作者针对这一问题,选择范德华层状材料CuInP2S6,利用化学气相输运法合成了单晶材料,研究该铁电材料的结构相变和铁电性随厚度的变化规律。该团队首次报道了在二维铁电材料CuInP2S6的面内铁电性。同时随着维度下降,面内铁电极化消失,杨氏模量在临界尺寸附近也发生了突变。研究表明临界厚度以下,面内铁电极化消失及杨氏模量突变是由于该材料的晶体结构由单斜相转变为三方相导致的。密度泛函理论计算和扫描电镜实验也正是了在临界厚度以下CuInP2S6发生了从空间群7(Cc)到159(P31c)的结构相变。在临界厚度以下的CIPS极化和新结构相共存,可以为层状材料的压电设计和优化提供依据。这些新奇的物理机制,对理解和设计纳米级电子存储器件具有非常重要意义。相关结果发表在Small(DOI: 10.1002/smll.201904529)上。