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，研究人员发现了一批以CuInP2S6、In2Se3等为代表的二维本征铁电材料，媒体对层间滑移铁电性的报道也逐渐增多，这使得二维铁电材料成为该领域的热点研究课题。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，这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。有鉴于此，林君浩团队通过采用CVD的方法成功合成出一种新型的室温二维铁电材料，并通过压电力显微测试（PFM）证实该材料存在面内的铁电畴结构。结合电子衍射及原子尺度的能谱分析发现该材料为正交结构的Bi2TeO5。根据第一性原理计算的结果，Bi2TeO5为典型的位移型铁电材料，其面内铁电极化来源于Bi3+离子沿a轴的位移以及BiO5四棱锥结构沿b轴的倾转。结合像差校正透射电镜可以对亚埃尺度的离子位移进行分析，进而获得Bi3+离子的位移大小及分布情况。经过统计，实验上Bi3+离子沿a轴方向存在明显且均匀的位移，其位移大小约为0.14 Å，这与计算的0.11 Å十分接近。图1 二维层状铁电材料Bi2TeO5的CVD生长及结构表征。a, 二维层状Bi2TeO5的光镜图；b-c, 样品的表面形貌及对应的面内PFM图像；d-f, 不同方向Bi2TeO5的结构模型以及铁电极化的产生；g-I, Bi2TeO5的原子尺度结构表征及对应的极化分布。对Bi2TeO5中畴结构的进一步研究发现，样品中存在大量的条状畴结构。原子尺度结构分析表明，这种条状畴为180°铁电畴。与其他铁电材料明显不同的是，在180°铁电畴壁处多出来一列由Bi/Te共同构成的原子面，从而形成平面插层缺陷。除此之外，畴壁处还存在明显的晶格畸变特征以及极化减弱现象。计算表明，Bi/Te插层畴壁的存在有效降低了铁电畴之间拼接的应变能，从而使得180°畴壁能够稳定存在。图2 Bi/Te插层诱导的180°铁电畴的形成。a, Bi2TeO5中典型条状180°铁电畴的面内PFM；b, 180°铁电畴壁的原子尺度HAADF-STEM图；c-e, 180°铁电畴壁处铁电离子位移(DBi)及晶格畸变(晶格转角θ)的原子尺度分析；f, 弛豫后180°铁电畴的结构模型。此外，团队还发现通过调控前驱体中Bi2O3和Te的比例还可以有效实现180°铁电畴宽度的调控。PFM和高分辨STEM结果均表明，随着Bi2O3比例的降低，样品中的180°畴宽度明显变小。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。样品整体表现出均匀的反铁电特征，宏观剩余极化为零。与180°畴的形成类似，在反铁电相中高密度Bi/Te插层缺陷的引入同样能够作为缓冲层有效降低体系的应变能，与此同时，材料由铁电性的Bi2TeO5完全转变为反铁电性的Bi5Te3O13结构。图3插层对畴宽度的调控及铁电相到反铁电相的转变。a-d, 具有不同周期的180°畴HAADF-STEM图像；e-h分别为对应图a-d中的离子位移分布。本研究工作发现了Bi2TeO5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，并为其在未来纳米器件领域的应用提供了新方向。南方科技大学物理系韩梦娇博士（现为松山湖材料实验室副研究员）与中国人民大学王聪博士为论文共同第一作者。中国人民大学教授季威、苏州纳米所研究员康黎星为共同通讯作者，林君浩为最后通讯作者，南科大为论文第一单位。中国科学院金属研究所王宇佳副研究员，马秀良研究员，量子科学与工程研究院研究员戴俊峰、物理系讲席教授王峻岭也参与了该项工作。以上研究获得了国家重点研发计划、国家自然科学基金、广东省科技厅国际合作创新领域、广东省创新创业团队、深圳市孔雀团队等项目以及南方科技大学皮米中心的大力支持。参考资料：https://phy.sustech.edu.cn/news/detail/3393.html?lang=zh-cn
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