北理工先進材料力學團隊在單層壓電材料研究中取得重要進展
發布日期：2023-07-06 供稿：宇航學院 攝影：宇航學院
編輯：趙亞康 審核：龍騰 閱讀次數：
近日，北京理工大學宇航學院洪家旺教授、王學云副教授團隊報道了單原子層厚度的二維范德瓦爾斯CuInP2S6鐵電材料面外強壓電性效應以及增強的電流自整流特性，相關成果以“Strong Piezoelectricity and Improved Rectifier Properties in Mono- and Multilayered CuInP2S6”為題，發表于國際頂級學術期刊《Advanced Functional Materials》。
二維壓電材料在柔性自供能電子開關、電子皮膚和傳感器等領域具有廣闊的應用前景。尤其是近年來在 h -BN、C3N4和過渡金屬二硫族化合物（2H-MX2，M=""W，Mo；X=S，Se，Te）等二維單層材料中發現了壓電效應，在領域內引起了廣泛關注。然而，大部分單層壓電材料中的壓電效應僅限于面內方向，面外方向壓電效應非常微弱且電流整流比較差，限制了二維薄層材料在垂直結構器件中的實際應用。因此，探索在面外方向上具有強壓電效應和整流性質的單層和薄層二維材料是該領域當前的研究前沿。
我校宇航學院洪家旺、王學云教授團隊基于在范德瓦爾斯鐵電體CuInP2S6體系前期研究基礎上（Nature Communications, 2022, 13: 574；Small, 2020, 16: 1904529），進一步報道了首次成功剝離制備出單原子層厚度的CuInP2S6鐵電材料，并發現其在面外方向上的強壓電性，遠高于現有單層壓電材料 (圖1)。
圖1. 單層、雙層和三層CIPS的有效壓電系數 d 33eff以及其他二維壓電材料的理論/實驗的壓電系數匯總圖。(A和B) 使用1 V的驅動電壓和2.8 N/m硬度的懸臂測量得到的形貌和PFM振幅圖像。沿著黑線的高度剖面表明了單層、雙層和三層CIPS的厚度。比例尺為1 μm。(C) 在同一區域中隨著逐漸增加驅動電壓測量得到的壓電響應。(D) 通過在圖1A中逐漸增加驅動電壓測量得到的壓電響應斜率計算得到的有效壓電系數 d 33eff。(E) 二維壓電材料的壓電系數總結圖。
在此基礎上，通過納米探針施加應變的同時，合理引入應變梯度產生撓曲電場調控單層和多層二維材料的隧穿勢壘高度和隧穿厚度，有效提升單層和多層CuInP2S6材料的電流整流性質（圖2和圖3）。這些研究發現表明單層和多層CuInP2S6材料在垂直陣列器件結構的傳感、類腦計算等方面具有潛在的應用價值。
圖2. 針尖力調制三層、雙層和單層CIPS垂直結的電流整流效應。(A至C) 分別為三層、雙層和單層CIPS在逐漸增大的針尖力下的電流-電壓（I-V）曲線。正負電壓端的電流比值用于描述電流整流比。(D至F) 分別為隨著針尖力增加，三層、雙層和單層CIPS的電流整流比結果。
圖3. 針尖力增強CIPS電流整流效應的定量分析。(A至C) 不同針尖力下典型的I-V曲線及使用梯形和三角形隧穿勢壘模型進行擬合的結果。(D) 不同針尖力下上下界面隧穿勢壘的變化。插圖為隧穿勢壘的示意圖。φ1和φ2分別表示Pt/Ir針尖-樣品界面和樣品-Au襯底界面的隧穿勢壘。(E) 針尖力為18、72和125 nN時隧穿厚度 d T的變化。插圖為勢壘變化的示意圖。(F和G) 分別為針尖力為144 nN時計算得到的壓電場和撓曲電場（Ez-piezo和Ez-flexo）。(H) 根據壓電/撓曲電場計算得到的針尖-樣品接觸處的表面電勢。
北京理工大學宇航學院力學系博士后江興安、碩士生張香平，北京大學物理系博士生牛銳銳為該論文的共同第一作者，宇航學院力學系洪家旺教授、王學云副教授與北京大學物理系路建明教授為本論文通訊作者。北京理工大學前沿交叉科學研究院陳亞彬教授、博士生杜國帥對該研究工作給予了重要幫助。該研究得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃青年項目、北京市自然科學基金重點項目的支持。
全文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202213561
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