彭海琳&賴柯吉 Nano Lett.：層狀α-In2Se3納米片的平面外壓電及鐵電性質

yuanyukun888 6年前 (2017-09-06) 7160瀏覽

【引言】

二維（2D）范德瓦爾斯（vdW）材料由于具有新穎的電子、磁學、熱學以及光學性質而在過去十年間吸引了研究者的極大關注，也使得下一代多功能器件的發展極具希望。在這些不同的功能中，壓電和鐵電性質被廣泛應用在存儲器、電容器、制動器以及傳感器中，但這些領域鮮有二維材料涉及。在諸如MOS₂這種2H堆疊的過渡金屬硫化物（TMDs）中，具有奇數層的超薄片由于塊狀晶體中晶面對稱的缺失使得平面內壓電性質在理論中得到了預言，而后又被實驗所證實。然而，在器件的應用過程中，平面外的壓電和鐵電性質對于電路的設計來說更為直接。因此，探索新型的平面外極化二維鐵電材料并將其應用在非易失性存儲器和光伏器件的同時也能得到具有新型功能的二維范德瓦爾斯異質結就引起了研究者極大的興趣。

【成果簡介】

近日，來自北京大學的彭海琳教授和德克薩斯大學奧斯汀分校的賴柯吉教授（共同通訊）課題組對層狀α-In₂Se₃納米片的平面外壓電及鐵電性質進行了研究，相關的研究成果以“Out-of-Plane Piezoelectricity and Ferroelectricity in Layered α?In₂Se_3?Nanoflakes”為題發表在2017年8月25日出版的Nano Letters上^[1]。

二維材料的壓電和鐵電性質極大限制了其在納米電子器件、電動機械以及光學領域的應用。范德瓦爾斯層狀硒化銦In₂Se₃納米材料是一種性能優異的光電響應和相變存儲材料,彭海琳和賴柯吉前期較早合作研究了層狀In₂Se₃納米結構的可控制備、光電性質和相變性質^[2-7]。本文首次報道了范德瓦爾斯層狀材料α?In₂Se₃納米片平面外壓電和鐵電的實驗證據。其非中心對稱R3m對稱性為掃描透射電子顯微鏡、二次諧波以及拉曼光譜所證實。具有相反極化的疇通過壓力響應顯微技術得以可視化觀察。單點支撐實驗說明其極化有可能會在厚度低至約10 nm時發生反轉。壓電效應也通過一雙端器件得到證實，其肖特基勢壘可通過張力誘導的壓電勢進行調節。極性的α-In₂Se₃作為一種具有簡單晶體結構的二維壓電和鐵電材料在光電領域具有極大的應用潛力。

【圖文導讀】

圖1 層狀In₂Se₃納米片的原子結構

（a）R3m空間群α?In₂Se₃的晶體結構

（b）通過VPD生長的In₂Se₃納米片的掃描電子顯微鏡照片（SEM）

（c）沿[120]方向進行切割得到的In₂Se₃納米片的橫截面環形亮場（ABF）STEM圖

（d）在平面c中沿藍色虛線的強度剖面圖

圖2?In₂Se₃納米片的二次諧波

（a）由VPD生長的（紅色）和剝離出的（藍色）In₂Se₃納米片以及GaAs塊體反射產生的399nm處的二次諧波強度

（b）s-in/s-out狀態中樣品方位角θ依賴的二次諧波信號

（c）s-in/p-out狀態中樣品方位角θ依賴的二次諧波信號

圖3?α?In₂Se₃納米片的鐵電疇

（a-c）α?In₂Se₃薄片的AFM（a）、PEM相位（b）和振幅圖（c）

（d-f）從金表面剝離的α?In₂Se₃薄片的AFM（d）、PEM相位（e）和振幅圖（f）

（g）標記在平面d中不同區域的拉曼光譜

圖4 外電場中的極性反轉

（a）20 nm薄片的電場內PFM振幅圖

（b）20 nm薄片的電場內PFM相位滯回曲線

圖5?In₂Se₃器件中的壓電效應

（a）彎曲襯底時雙端In₂Se₃器件在壓縮應變（黑色）、無應變（紅色）和拉伸應變（藍色）時的I-V特性曲線

（b）源漏偏置為零時應變為零的能帶圖

（c）源漏偏置不為零時應變為零的能帶圖

（d）源漏偏置不為零時拉伸應力導致的較低的肖特基勢壘和增強的電流

（e）源漏偏置不為零時壓縮應力導致的較高的肖特基勢壘和減弱的電流

【小結】

本文通過結合結構、光學和電學性質對多層α? In₂Se₃的平面外壓電和鐵電性質進行了探索。通過掃描透射電子顯微鏡（STEM）、二次諧波（SHG）以及拉曼光譜對其非中心對稱R3m對稱性進行了證實。隨后利用PFM對其鐵電疇進行了觀察。最后，通過對云母襯底的彎曲實現了對電荷輸運的調整，同時證明了這一柔性器件在機械以及壓電傳感器領域的應用潛力。隨著進一步降低塊體的電荷密度，使得在單層In₂Se₃內實現鐵電性成為可能，這使得其能夠極大滿足存儲、傳感以及光伏領域的應用需要。

文獻鏈接：

[1]?Out-of-Plane Piezoelectricity and Ferroelectricity in Layeredα? In₂Se₃?Nanoflakes. Nano Lett., 2017, DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b02198

[2] Thickness-Dependent Dielectric Constant of Few-Layer In₂Se₃Nanoflakes. Nano Lett.2015, 15(12), 8136

[3] Patterning two-dimensional chalcogenide crystals of Bi₂Se₃ and In₂Se₃ and efficient photodetectors. Nature Communications?2015, 6, 6972

[4] Controlled Growth of Atomically Thin In₂Se₃ Flakes by vander Waals Epitaxy.?J.Am.Chem.Soc.?2013,?135,13274

[5] Nanoscale Electronic Inhomogeneityin In₂Se_3?Nanoribbons Revealed by Microwave Impedance Microscopy.?NanoLett.?2009,?9(3),1265

[6] Large Anisotropy of Electrical Properties in Layer-Structured In₂Se_3?Nanowires.?NanoLett.?2008,?8(5),1511

[7] Synthesis and Phase Transformation of In₂Se_3?and CuInSe_2?Nanowires.?J.Am.Chem.Soc.?2007,?129(1),34

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標簽：鐵電