新型二维铁电材料中插层调控的铁电畴结构及铁电—反铁电相变

铁电材料因其具有稳定的自发极化，并且极化方向可以在外电场作用下发生翻转，因而在存储器、传感器、场效应晶体管以及光学器件等方面具有非常广阔的应用前景。近年来，以CuInP₂S₆、In₂Se₃ 等为代表的一批二维本征铁电材料的发现以及层间滑移铁电性的报道，使得二维铁电材料成为该领域的研究热点。相比于块体材料，二维材料的层间作用力为范德华力，表面不存在悬键，有效避免了表面缺陷及表面重构等效应的产生，从而有可能实现薄层甚至单层的铁电性，更有助于其在纳米器件方面的应用。然而，目前对二维材料铁电畴结构的调控及铁电—反铁电相变等方面仍缺乏系统性的研究。

近日，电镜中心韩梦娇博士等人报道了一种具有室温本征面内铁电极化的新型二维材料Bi₂TeO₅，并发现了由插层铁电畴壁诱导的铁电畴大小、形状调控机制及由此产生的铁电相到反铁电相的转变。 2022 年 10 月 6 日 ，NatureCommunications 期 刊 以 “Continuously tunable ferroelectric domain width down to the single-atomic limit in bismuth tellurite”为题在线发表了该项研究成果。

该项研究通过采用 CVD 方法成功合成出一种新型的室温二维铁电材料Bi₂TeO₅，结合压电力显微测试（PFM）及像差校正电子显微成像证实其存在面内铁电极化及铁电畴结构（图 1）。其中 180°铁电畴壁处存在 Bi/Te 原子面插层，研究证实插层的存在能够有效降低铁电畴之间拼接的应变能，从而能够稳定 180°畴壁（图 2）。进一步研究表明，通过调控前驱体中 Bi₂O₃和 Te 的比例可以有效实现 180°铁电畴宽度的调控。而在极限条件下，当铁电畴的宽度降到半个单胞（约 1nm），相邻的 Bi³⁺的离子位移会表现出周期性的反平行排列特征，此时样品由铁电相完全转变为反铁电相（图 3）。

该研究工作发现了 Bi₂TeO ₅室温面内铁电性，丰富了本征二维铁电材料体系，同时揭示了插层缺陷作为新的调控单元对二维 Bi₂TeO₅ 薄膜铁电畴大小及方向的调控，及由此产生的低维铁电—反铁电相变，为二维铁电材料铁电畴结构及相结构的调控提供了新思路，也为其在未来纳米器件领域的应用提供了新方向。

           图 1：二维层状铁电材料 Bi₂TeO₅ 的 CVD 生长及结构解析。

图 2：Bi/Te 插层诱导的 180°铁电畴的形成。

图 3：插层对畴宽度的调控及铁电相到反铁电相的转变。