通过二维材料的堆叠技术，可通过层间滑动来切换界面极化，这被称为滑动铁电性，它在超薄厚度、高切换速度和高抗疲劳性方面具有优势。然而，揭示菱面体堆叠材料中滑动路径与极化状态之间的关系仍然是一个挑战，这是实现二维滑动铁电性的关键。鉴于此，北京理工大学郑守君研究员和三峡大学杨柳博士共同合作在Advanced Materials在线发表“Multidirectional Sliding Ferroelectricity of Rhombohedral-stacked InSe for Reconfigurable Photovoltaics and Imaging Applications”的研究成果（北京理工大学为第一单位，Adv. Mater. , 2416117, (2024)）。在这项研究中，我们利用双频共振追踪压电响应力显微镜（Dart-PFM），导电原子力显微镜（C-AFM）和扫描隧道显微镜（STEM）对菱面体堆叠的 InSe（γ-InSe）中与层相关的自发极化状态和多向滑动路径进行了实验研究。这种多向滑动机制通过电场确保了石墨烯/γ-InSe/石墨烯范德华异质结构中的可调体光伏效应。扫描透射电子显微镜（STEM）数据阐明了多层γ-InSe 中的畴壁产生和多向滑动机制，这与理论计算结果一致。我们的工作不仅深入了解了菱面体堆叠二维材料的多向滑动铁电性，还突显了它们在可调节光伏和成像应用中的潜力。
我们通过双频共振追踪压电响应力显微镜和扫描透射电子显微镜研究γ-InSe中与层相关的多向滑动铁电性。由于存在多种极化状态，石墨烯/γ-InSe/石墨烯隧穿器件展现出可调节的体光伏效应，光伏电流密度约为15 mA/cm²。实验中观察到了不同畴壁形状的产生，根据我们的理论计算，这归因于多方向滑动诱导的滑移铁电畴。此外，γ-InSe中的铁电极化确保了隧穿器件具有约255 A/W 的高光电响应率和用于实时成像的快速响应时间，并且石墨烯/γ-InSe/石墨烯器件还具有高光电响应性和用于实时成像应用的快速响应时间。我们的工作不仅丰富了滑动铁电机制，还为开发二维滑动铁电体在光伏、神经计算和成像等应用中铺平了道路。
图1
图1展示的菱面体堆叠的 InSe 的多向层间滑动。a) 双层γ-InSe的俯视图，显示了从 InSe 顶层到底层的三个滑动方向。b) 双层γ-InSe沿AC方向的侧视图。c) 双层γ-InSe 在向左滑动后极化发生转变的侧视图。d) 双层γ-InSe在向右滑动后极化发生转变的侧视图。e) 双层γ-InSe所有滑动方向的总结，包括第一次和第二次滑动过程，用圆圈数字表示。粉色和蓝色分别代表向上和向下的极化。f) 具有全堆叠构型的双层γ-InSe的计算能量图，显示 AB 和 BA 堆叠构型能量最低。通过沿着鞍点（SP）滑动可以切换两种极化状态。g) 所有堆叠构型的计算极化图。h) HAADF-STEM图像，显示了具有向下极化的γ-InSe三层结构。i) 具有向上极化的γ-InSe三层结构的原子图像。
图2
图2展示了具有多态性的γ-InSe滑动铁电性。a) 用Dart-PFM以写畴模式（±9 V）对 23 纳米厚的γ-InSe薄片进行相位映射，清楚地显示出可切换的铁电OOP相位。b) PFM的外场相位和振幅磁滞回线有两个循环。c) 在 ±6 V 电场下对 10 纳米厚的 γ-InSe薄片进行的 KPFM 映射。沿白色虚线的 KPFM 振幅（蓝线）图示于插图中。d) 通过C-AFM测量得到的 3.9 纳米厚的 InSe 薄片的I-V曲线，具有明显的磁滞和多次电流跳跃。AFM图像和厚度显示在底部插图中，能带排列显示在顶部插图中。e) 2.9 纳米厚的InSe薄片的 I-V曲线，显示出较少的电流跳跃。f) 6 纳米厚的InSe薄片的I-V曲线，显示出更多的电流跳跃，表明根据层数的不同存在多态性。
图3
图3展示了石墨烯/γ-InSe/石墨烯隧穿器件中的可调体光伏效应。a) 石墨烯/γ-InSe/石墨烯结的示意图。b) 隧穿器件的光学图像，其中红色阴影区域是γ-InSe 薄片，黑色阴影区域是两块石墨烯薄片，白色阴影区域是用于光伏测试的范德华结的核心区域。c) 隧穿器件的 Isc（短路电流）映射，清楚地显示出 Isc 源自隧穿器件的核心区域。d) 在 520 nm 光从 5 μW 到 35 μW 不同光强下的 I - V 曲线。e) 在正（蓝线）和负（粉线）极化电压下的I-V曲线。f) 用五个光脉冲对正和负 Isc 进行开/关测试。g) 在不同极化电压下可切换的光伏行为，显示出电场可调的 Isc。h) 三层γ-InSe的计算能带结构。i) 计算具有向上和向下极化的γ-InSe的光学电导率，暗示体光伏效应的起源。
图4
图4展示了γ-InSe中的多条滑动路径。a) 对极化和光照后的石墨烯/γ-InSe/石墨烯进行HAADF-STEM成像，可以看到圆顶状畴壁。虚线表明存在层间滑动和畴壁产生。b) 同一器件的 HAADF-STEM 图像，有多个畴壁，其原子位置在底部极化和顶部极化时均发生重排。c) 具有畴壁产生（顶部）的 InSe 单层示意图和畴壁的侧视图（底部）。d) 关于滑动层数的所有滑动路径、堆叠状态和极化状态的总结。e) 两个不同方向滑动路径的能量分布曲线显示出微小的能量差异。f) 四种典型堆叠状态的差分电荷密度分布。黄色和蓝色等势面分别是电子积累和耗尽，代表了层间滑动过程中电子云的非等效分布。
图5
图5展示了γ-InSe隧穿器件的光响应性能。a) 石墨烯/γ-InSe/石墨烯范德华光电探测器在不同光强下的I-V曲线。b) 光电探测器的光响应，显示出 388 μs 的上升时间和 538 μs 的衰减时间。c) 石墨烯/γ-InSe/石墨烯结构的能带排列示意图。d) 在 25 μW 光照下，石墨烯/γ-InSe/石墨烯垂直器件（紫色曲线）和 Au/γ-InSe/Au 横向器件（蓝色曲线）的I-V曲线对比。e) 两种器件的响应度随功率密度的变化关系。f) 两种器件在 1 V 外加电压下的光电流持久性测试。g) 基于石墨烯/γ-InSe/石墨烯光电探测器的实时成像示意图。h) 基于 520 nm 光照射的单像素成像系统获取的“BIT”标志。
总之，我们利用双频共振追踪压电响应力显微镜技术报道了未掺杂的菱面体堆叠的γ-InSe中的多向滑动铁电性，并且利用C-AFM揭示了其多种铁电态。通过电场和光照，在石墨烯/γ-InSe/石墨烯隧穿器件中也展示出了光伏电流密度约为 15 毫安/平方厘米的可调光伏效应。根据透射电子显微镜数据和理论计算，γ-InSe在极化翻转过程中存在多向滑动路径，这为忆阻器和可调光伏应用提供了足够数量的极化状态。该垂直器件还具备约 255 A/W的高光电响应率以及实时成像能力。我们的工作不仅揭示了菱面体堆叠二维材料中具有多种极化状态的多向滑动铁电性，还为探索滑动铁电性在实际光电应用中的应用铺平了道路。
文章来源：北京理工大学
