研究组铁电畴壁原子尺度演化机制合作研究获新突破

研究组铁电畴壁原子尺度演化机制合作研究获新突破

近日,物理学院季威教授研究组联合复旦大学车仁超教授、浙江大学赵昱达研究员等研究组组成研究团队,利用第一性原理计算、原位扫描透射电子显微镜(STEM)和器件输运性质测量等方法,研究了二维范德华铁电半导体α-In₂Se₃中层间堆叠方式与铁电畴壁形态、铁电翻转行为、相变路径等性质的依赖关系,揭示了层间堆叠构型与上述性质间的深刻关联,为通过层间堆叠工程调控铁电畴壁类型和演化动力学行为提供了新策略。相关结果于2024年12月2日以“Stacking selected polarization switching and phase transition in vdW ferroelectric α-In2Se3 junction devices”为题发表在Nature Communications 15, 10481 (2024)上。

铁电畴壁是分离铁电材料中不同电极化取向的功能界面。在二维层状铁电薄膜中,这些畴壁的取向可以垂直(面外畴壁)或平行(面内畴壁)于薄膜表面。在电场作用下,带电的畴壁显示出较高的空间迁移率,展示了动态创建、移动和擦除畴壁的潜力。尽管对铁电器件的性能调节和功能设计至关重要,精确控制铁电畴壁的类型和运动行为、揭示这些畴壁性质调控的原子尺度机制,仍然面临诸多挑战。

二维α-In2Se3是一种独特的范德华铁电半导体,在非易失性存储器等中有应用潜力。由金属/α-In2Se3/金属构建的铁电半导体结(FSMJ)在电输运中表现出奇异的滞后行为,这通常与金属/铁电界面的肖特基势垒中的铁电极化调控相关。然而,缺乏α-In2Se3中铁电畴壁结构及其演化动力学的详细信息,限制了人们深入理解铁电半导体结中的奇异输运行为。此前的研究通过压电力显微镜和电输运测量间接证实了电场下的极化动力学调控行为,但缺乏原子级的结构信息。

该工作通过STEM观测到α-In2Se3在原子级水平显示出依赖层间堆叠方式的铁电畴壁结构,在3R型堆叠的 α-In₂Se₃中形成面外畴壁,而在2H型堆叠中则倾向于形成面内畴壁。通过计算形成能和界面相互作用,该工作揭示了α-In₂Se₃中层间堆叠方式依赖的面内和面外畴壁形成机制,发现层间相互作用的关键性作用。具体地,理论计算表明,在2H型堆叠中形成面内畴壁保持原有的层间相互作用[图1,(a)],畴壁具有更好的热力学稳定性,形成能适中。如在3R型堆叠中依然形成面内畴壁,则界面处Se原子的最近邻数目由3个减为2个[图1,(e)],降低了其热力学稳定性,导致畴壁形成能较高。然而,形成面外畴壁则可以克服这一问题,基本保持原有的界面相互作用,具有形成能上的优势。

宏观的电输运测量和微观电子显微观测从实验上证实了堆叠结构影响对铁电畴壁动力学的行为调控作用。理论计算结合实验观测表明,在高电场条件下,α-In2Se3从铁电相到顺电相变过程中,原子位移的动力学行为对层堆叠方式具有强烈依赖性(图2)。在3R型堆叠中,α-In₂Se₃在热力学和动力学因素共同作用下,通过层内原子滑动实现相变;而在2H型中,α-In₂Se₃则在热力学因素主导下经历层内断键和层间成键等复杂过程进行相变。

该工作通过原子尺度的原位实空间观测、器件测量和充分考虑层间相互作用的第一性原理计算,揭示了α-In2Se3的层间堆叠结构可以调控畴壁类型、铁电极化翻转行为以及相变路径等铁电性质。这些发现增强了人们对二维铁电材料中畴壁动力学的理解,为调制铁电材料性质、控制铁电器件状态提供了新思路。

图1. 理论计算中考虑的不同堆叠方式下的FDW结构

图2. 在高电场下不同堆叠方式的铁电-顺电相变行为

该研究成果发表在《Nature Communications》期刊上,四川师范大学物理与电子工程学院讲师郭的坪博士(原物理学院博士生)和复旦大学博士生吴雨旸、浙江大学博士生张天娇为论文的共同第一作者。物理学院季威教授、复旦大学车仁超教授、浙江大学赵昱达研究员为该论文的共同通讯作者。该工作的理论计算部分由郭的坪博士和季威教授完成,实验部分由合作单位完成,并得到了国家自然科学基金、科技部、教育部等项目的支持。

文章链接:Stacking selected polarization switching and phase transition in vdW ferroelectric α-In2Se3 junction devices | Nature Communications

Stacking selected polarization switching and phase transition in vdW ferroelectric α-In2Se3 junction devices

Stacking selected polarization switching and phase transition in vdW ferroelectric α-In2Se3 junction devices

Yuyang Wu#, Tianjiao Zhang#, Deping Guo#, Bicheng Li, Ke Pei, Wenbin You, Yiqian Du, Wanchen Xing, Yuxiang Lai, Wei Ji*, Yuda Zhao* & Renchao Che*

The structure and dynamics of ferroelectric domain walls are essential for polarization switching in ferroelectrics, which remains relatively unexplored in two-dimensional ferroelectric α-In2Se3. Interlayer interactions engineering via selecting the stacking order in two-dimensional materials allows modulation of ferroelectric properties. Here, we report stacking-dependent ferroelectric domain walls in 2H and 3R stacked α-In2Se3, elucidating the resistance switching mechanism in ferroelectric semiconductor-metal junction devices. In 3R α-In2Se3, the in-plane movement of out-of-plane ferroelectric domain walls yield a large hysteresis window. Conversely, 2H α-In2Se3 devices favor in-plane domain walls and out-of-plane domain wall motion, producing a small hysteresis window. High electric fields induce a ferro-paraelectric phase transition of In2Se3, where 3R In2Se3 reaches the transition through intralayer atomic gliding, while 2H In2Se3 undergoes a complex process comprising intralayer bond dissociation and interlayer bond reconstruction. Our findings demonstrate tunable ferroelectric properties via stacking configurations, offering an expanded dimension for material engineering in ferroelectric devices.

Magnetically-controlled non-volatile charging states in bilayer graphene-CrOCl heterostructures

Magnetically-controlled non-volatile charging states in bilayer graphene-CrOCl heterostructures

Shimin Cao#, Runjie Zheng#, Cong Wang#, Ning Ma, Mantang Chen, Yuanjun Song, Ya Feng, Tingting Hao, Yu Zhang, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, X.C. Xie, Wei Ji*, Yu Ye*, Zheng Han*, Jian-Hao Chen*

Charge carrier densities in electronic heterostructures are typically responsive to external electric fields or chemical doping but rarely to their magnetization history. Here, we demonstrate that magnetization acts as a non-volatile control parameter for the density of states in bilayer graphene (BLG) interfaced with the antiferromagnetic insulator chromium oxychloride (COC). Using capacitance measurements, we observe a hysteretic behavior in the density of states of BLG on a COC substrate in response to an external magnetic field, which is unrelated to the history of electrostatic gating. First-principles calculations revealed that such hysteresis arises from the magnetic-field-controlled charge transfer between BLG and COC during the antiferromagnetic (AFM) to ferrimagnetic-like (FiM) state phase transition of COC. Our work demonstrates that interfacial charging states can be effectively controlled magnetically, and it also shows that capacitance measurement is a suitable technique for detecting subtle changes not detectable via conventional resistivity measurements. These findings broaden the scope of proximity effects and open new possibilities for nanoelectronics applications.

Twist-angle dependent pseudo-magnetic fields in monolayer CrCl2/graphene heterostructures

Twist-angle dependent pseudo-magnetic fields in monolayer CrCl2/graphene heterostructures

Zhengbo Cheng#, Nanshu Liu#, Jinghao Deng, Hui Zhang, Zemin Pan, Chao Zhu, Shuangzan Lu, Yusong Bai, Xiaoyu Lin, Wei Ji*, Chendong Zhang*

The generation of pseudo-magnetic fields in strained graphene leads to quantized Landau levels in the absence of an external magnetic field, providing the potential to achieve a zero-magnetic-field analogue of quantum Hall effect. Here, we report the realization of pseudo-magnetic field in epitaxial graphene by building monolayer CrCl2/graphene heterointerface. The CrCl2 crystal structure exhibits spontaneous breaking of three-fold rotational symmetry, yielding anisotropic displacement field at the interface. Using scanning tunneling spectroscopy, we have discovered a sequence of pseudo-Landau levels associated with massless Dirac fermions. A control experiment performed on CrCl2/NbSe2 interface confirms the origin as the pseudo-magnetic field in the graphene layer that strongly interacts with the CrCl2. More interestingly, the strength of the pseudo-magnetic fields can be tuned by the twist angle between the monolayer CrCl2 and graphene, with a variation of up to threefold, depending on the twist angle of 0° to 30°. This work presents a rare 2D heterojunction for exploring PMF-related physics, such as valley Hall effect, with the advantage of easy and flexible implementation.

研究组单分子尺度电子-振动激发合作研究获新突破

研究组单分子尺度电子-振动激发合作研究获新突破

近日,物理学院季威教授研究组联合武汉大学丰敏教授、匹兹堡大学H. Petek教授等研究团队,在扫描隧道电子显微结中设计了利用体相SnSe的半导体隙隔离单层C60导带与衬底耦合的策略,使实验得以观察到近20年久寻未得的单个C60分子最低频电子-振动激发模式,理论计算揭示了C60/SnSe界面电荷转移偶极(一种普遍存在却未引起重视的物理现象)对电子-振动激发模式的选择性增强机理,相关结果于2024年10月23日以“Charge-transfer dipole low-frequency vibronic excitation at single-molecular scale”为题发表在Science Advances 10, eado3470 (2024)上。

电子-振动激发(vibronic excitation)是指分子在吸收或发射能量时,同时发生电子态和振动态的变化,即电子和振动能级同时跃迁,在理解化学反应动力学、分子光谱和电子传输过程中起关键作用。

C60是研究电子-振动激发的原型分子。在以往的研究中,C60分子在其单分子晶体管中表现出Hg1)低频电子-振动激发 [Nature 407, 57-60 (2000)]。而在具有亚分子尺度分辨率的实空间扫描隧道电子显微镜观察中,此前采用的金属衬底与C60分子之间具有很强的相互作用,强烈展宽的分子能级掩盖了这些低能振动信号。为此,科学家在C60分子与金属衬底之间引入了一层超薄绝缘层,有效抑制了衬底和分子间的相互作用,从而成功观察到了一些频率较高的振动模式,如Hg2)、Hg5) 和Hg6)模式[J. Phys. Chem. B 109, 8513-8518 (2005), J. Chem. Phys. 120, 11371-11375 (2004).]。然而,频率最低的Hg(ω1)模式(约33 meV)却始终寻而未得。这主要是因为受到电子隧穿条件的限制,绝缘层厚度有限,可以抑制但无法有效隔离分子和金属衬底之间的相互作用,研究者一筹莫展。

为克服这一挑战,中国人民大学、武汉大学和美国匹兹堡大学的研究团队采用了一种新颖的隔离相互作用策略,即将C60分子支持在SnSe(001)半导体表面上(如上图)。这种结构使分子能级和SnSe能带在界面处形成了II型能带排列,即C60的最低未占据态(LUMO)置于SnSe衬底的能隙中。这有效隔离了C60能级与衬底能带的电子耦合,得以更清晰地观察低频的振动激发模式,尤其是此前难以探测的Hg(ω1)模式。

具体的研究发现,C60分子在SnSe半导体表面上的吸附构型呈现出两种不同的岛状结构,并且C60分子展现出三种不同的STM形貌(如下图)。结合密度泛函理论计算,确定了C60分子的吸附构型。扫描隧道光谱微分电流-电压(dI/dV)谱在SnSe半导体禁带中的LUMO共振处表现出电子-振动激发的特征,且该特征随其能量逐渐偏离SnSe的导带底而不断增强。这表明,通过精心设计分子-半导体界面的II型能带排列,可以选择性地隔离和增强特定的电子-振动态,从而获得清晰的低频电子-振动激发信号。这为在纳米尺度深入理解和灵活控制分子振动动力学提供了一种新颖的基础方法。

进一步研究发现,低频Hg1)振动激发普遍存在于所有C60分子中,与其在表面上的排列方式无关,这挑战了传统认为电子-振动激发受分子取向影响的认识。理论计算表明C60 / SnSe界面处存在由电荷转移导致的界面偶极,显著增强了Hg(ω1)的电子-振动激发(如下图)。该发现具有广泛的意义:它揭示了一种通过设计分子-半导体界面来控制分子电子传输的方法,为更高效的分子电子器件、能源系统和传感技术的开发开辟了可能的新途径。

该研究成果于2024年10月23日以“Charge-transfer dipole low-frequency vibronic excitation at single-molecular scale”为题发表在《Science Advances》期刊上,物理学院官雨柔和武汉大学娄灿灿、崔兴霞博士为论文的共同第一作者。物理学院季威教授、武汉大学丰敏教授与匹兹堡大学Hrvoje Petek教授为该论文的共同通讯作者。该工作的理论计算部分由人民大学官雨柔博士生、周谐宇博士(原物理学院博士生)和季威教授完成,实验部分由合作单位完成,并得到了国家自然科学基金、科技部、教育部等项目的支持。

《Science Advances》是Science家族的一员,是由AAAS(美国科学促进会)出版开放获取综合性科学期刊。该期刊旨在发表各个科学领域的原创性研究成果,并鼓励跨学科合作和交流。根据2022年发布的Journal Citation Reports,《Science Advances》的影响因子为19.6。

文章链接:C. Lou, Y. Guan, X, Cui et al., Charge-transfer dipole low-frequency vibronic excitation at single-molecular scale, Science Advances, DOI: 10.1126/sciadv.ado3470, https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ado3470