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北理工团队在二维铁电材料研究中取得重要进展


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近日,北理工宇航学院王学云、洪家旺教授团队报道了在范德瓦尔斯铁电体CuInP2S6中观测到在电场或应变下Cu+离子诱导的可调控整流效应。相关成果以“Manipulation of Current Rectification in Van der Waals Ferroionic CuInP2S6”为题,发表于学术期刊《Nature Communications》。

近年来,能感知外界复杂环境刺激的离子型忆阻器是神经网络学习领域的重要研究方向。其中的自整流性质须通过复杂的微纳加工/集成来实现,因此容易出现结构不兼容、整流方向不能灵活调控、无法应用于双向(正反电压)操作模式等问题。因此,迫切需要探索自身具有本征离子活性、电流整流方向灵活可调的单相离子型忆阻材料和调控方式。在此研究背景下,王学云与洪家旺课题组报道了在一种单相离子型忆阻材料CuInP2S6 (CIPS)中整流效应的力学与电学调制方式。通过原子力扫描探针技术在CIPS材料中观测到显著的Cu+离子迁移以及离子诱导的可调控自整流效应(如图1所示),并且通过改变扫描电压大小、速率、方向等方式,在Cu+离子的可控迁移和界面肖特基势垒的协同贡献下,实现了电流整流行为的连续调控。在此基础上,通过纳米探针施加局部的机械应变和应变梯度,诱导压电电场和挠曲电场调控界面肖特基势垒,进而实现了电流整流行为的力学连续可调(如图2所示)。该工作展示了范德瓦尔斯材料具有的电场和应变场调控的自整流特性,使该材料对外界动态复杂环境变化具有灵敏的识别能力,是未来智能忆阻器和神经网络学习的理想候选材料。

图1 扫描速率和扫描方向调控的电流整流行为

图2 应变/应变梯度调控的电流整流行为

北京理工大学宇航学院力学系博士后江兴安为该论文第一作者,宇航学院力学系王学云副研究员、洪家旺教授与北京工业大学物理光电学院王晓蕾教授为本论文通讯作者,北京大学物理系路建明教授和博士生牛锐锐对材料制备给予了帮助,中国人民大学物理系夏天龙教授与博士生徐升对材料进行了结构、成分表征和分析。该研究得到了国家自然科学基金(12172047、92163101、12074018)、国家重点研发计划青年项目(2019YFA0307900)、北京市自然科学基金重点项目(Z190011),以及北京理工大学科技创新计划资助的支持。

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附作者简介:

王学云,北京理工大学副研究员,博士生导师。中国人民大学物理系获得学士学位,美国Rutgers, the State University of New Jersey获得物理学博士学位。主要从事铁电压电,二维材料功能性畴结构的形成演化机制、多场(力,热,电,磁,化学势等)耦合调控机理与潜在应用的研究。发表SCI论文75篇,包含Science, Nature Physics, Nature Materials, Nature Energy, Phys. Rev. Lett.等。主持国家自然科学基金青年项目与重大研究计划(培育项目),参与科技部重大研发计划青年项目与北京市自然科学基金重点研究专题。




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