近日，国家纳米科学中心研究人员在二维铁电极化态的原位透射电镜操控及二维铁电性新机理研究方面取得进展。研究成果以“Picometer-Level In Situ Manipulation of Ferroelectric Polarization in Van der Waals layered InSe”为题，在线发表于《先进材料》（Advanced Materials）。

    近年来，范德华层状材料中陆续发现铁电性，这为开发高密度、低功耗存算一体芯片提供了关键候选材料。然而，目前对二维铁电性的起源、极化机制以及外场调控下的铁电极化翻转动力学过程尚缺乏深入和清晰的理解，严重限制了范德华铁电材料的性能调控和应用。研究团队利用配有球差校正器的扫描透射电子显微学（STEM）技术，在多场环境下、亚埃米尺度精准探测晶格的皮米级变化，为深入研究范德华层状材料中铁电极化翻转及铁电性起源提供了关键信息。

    本工作在对γ-InSe场效应晶体管及其自发极化机理（ACS Nano 17,6095−6102,2023）的前期研究基础上，进一步运用球差校正STEM的积分差分相位衬度像（iDPC）技术，结合原位电学操控手段，对不同电场下γ-InSe的原子尺度结构进行了精准的定量表征与分析。研究确定了范德华层内滑移（intralayer sliding）是γ-InSe二维铁电性产生的根本原因，同时阐明了层内滑移方向变化诱导极化翻转的微观机制。此外，通过压电力显微镜（PFM）电滞回线与电场下二次谐波（SHG）测量，研究验证了极化翻转及局域对称性变化的特征，理论计算进一步表明层内滑移可导致面外极化。本研究揭示了范德华层内滑移导致的铁电极化是二维铁电性的另一种重要起源，与其他范德华层状材料以及Y掺杂γ-InSe中层间滑移（interlayer sliding）导致的铁电机理存在显著差异。这一发现对于全面理解二维铁电机理、极化翻转动力学的实空间可视化表征以及二维铁电性调控具有重要意义。

γ-InSe的自发极化结构及原位电场下的极化翻转

    国家纳米科学中心郑强研究员、谢黎明研究员、拱越副研究员与西湖大学柯昌明博士为论文通讯作者，国家纳米科学中心博士生高汉滨、特别研究助理刘子媛为论文的共同第一作者。论文的重要合作者还包括国家纳米科学中心刘新风研究员和张礼智研究员、中国人民大学程志海教授、西湖大学刘仕教授以及清华大学朱宏伟教授。该研究工作得到了国家重点研发计划项目、国家自然科学基金项目和中国科学院战略性先导科技专项B类的资助。

   论文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202404628