華東師范大學極化材料與器件教育部重點實驗室段純剛、鐘妮、向平華研究團隊一項研究中首次提出自發離子吸附策略實現低維鐵電極化的超低功耗反轉。相關研究成果以題為“Ion adsorption-induced reversible polarization switching of a van der Waals layered ferroelectric”，于1月28日發表于Nature Communications。 相關論文信息：https://www.nature.com/articles/s41467-021-20945-7。博士生徐冬冬和馬茹茹為共同第一作者，鐘妮副研究員和向平華研究員為共同通訊作者。
具有高速、低功耗和非易失性的鐵電材料在儲能、信息存儲和紅外探測方面等領域具有廣闊的應用前景。研究人員一直在尋找一種替代傳統電場的無功耗鐵電極化調控方式，而范德華層狀材料具有許多新奇的量子屬性和獨特的物理性質，成為電子信息科學和凝聚態物理領域的研究熱點。
當范德華層狀結構與本征的室溫鐵電性相結合時，可以預見會誘發更多的新奇現象與潛在應用。以室溫范德華層狀鐵電體CuInP2S6（CIPS）為例，其具有獨特的負壓電性，單軸四重勢阱、優異鐵電極化保持性等性質，在鐵電場效應晶體管、鐵電隧穿結、負電容器件、光電探測器等領域具有重要應用價值。然而，由于其具有顯著的銅離子電導特性，傳統的電場調控通常會導致其極性結構的破壞，并伴隨形貌的扭曲變形，最終導致鐵電性的喪失。這嚴重限制了CIPS在實際器件中的應用。因此，研發一種簡單有效、可替代傳統電場調控的方式已經成為解決這一問題的關鍵。
在這項研究中，研究人員通過人工設計離子吸附界面，室溫下在范德華層狀鐵電體CIPS表面引入離子液體[DEME][TFSI]或十二烷基苯磺酸鈉Na[DDBS]水溶液，即可實現其鐵電疇的大面積翻轉（圖1a）。需要指出的是，在鐵電極化反轉過程中不需要施加額外的電場。反轉前后材料組分、納米片形貌、厚度等均不發生任何變化。
實驗證據和第一性原理計算結果表明CIPS的鐵電極化反轉源于固液界面處鐵電偶極子和液體中離子的相互作用（圖1b）。圖1c總結了選擇性離子吸附誘導鐵極化反轉的微觀過程。
圖1（a）離子吸附誘導的可逆鐵電疇翻轉；（b）鐵電體固液界面的電荷分布；（c）離子吸附誘導鐵電極化反轉的微觀過程。
段純剛表示，該研究成果通過選擇性離子吸附成功誘導鐵電極化反轉，為實現基于鐵電的數據存儲和生物傳感裝置提供了超低功耗的新策略。這一工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、上海市科技創新行動計劃、華東師范大學優秀博士研究生學術能力提升計劃項目等的支持。
