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二维铁电CuInP2S6（CIPS）的场相关结构起源和研究方法示意图

本报讯近日，云南大学胡万彪团队（现代工学院/材料与能源学院/电镜中心/云南省电磁材料与器件重点实验室）在NatureCommunications发表了题为“Atomic-leveldirectimagingforCu（I）multipleoccupationsandmigrationin2DferroelectricCuInP2S6”的研究论文。

二维范德华铁电材料因奇特的物理和量子现象，广泛应用于场效应晶体管（FETs）、非易失性存储器、铁电隧道结（FTJs）等领域。二维单斜（Cc）结构的CuInP2S6（CIPS），因其四势阱可调节的室温铁电性，在电子器件领域得到了广泛的研究。CIPS的铁电极化与Cu（I）所在晶格的位置有较强的关联性。CIPS由InS6八面体笼、Cu（I）子以及P-P对构成一个连续的层，层与层之间通过范德瓦尔斯力以ABAB的堆垛方式构成完整的二维晶体（如图所示）。在TC点以下，Cu（I）自发的占据位置Ι/位置ΙΙΙ，导致晶体的空间反演对称性破缺，从而产生朝下/朝上的自发极化。由于Cu（I）的可迁移性，在CIPS晶体当中存在着面外（OOP）和面内（IP）两种极化（如图所示）。当施加外场（如电场、应力、热等）时，Cu（I）的占位可以切换，使极化方向与场方向对齐，例如，当外加电场向上时，所有Cu（I）离子都切换到ΙΙΙ位置，使极化点向上。目前，该材料仍有一些问题未得到解决，例如，有多少可能的位置可以容纳Cu（I）切换或额外迁移？除了位置Ι和ΙΙΙ外，是否还有其他可能的占据位置？Cu（I）是否有可能迁移到间隙位置或层间位置？此外，Cu（I）以什么样的路径来进行迁移？显然，这些基本的结构和物理图像对于理解CIPS的铁电性质和极化开关机制至关重要。

在本工作中，研究团队通过像差校正扫描透射电子显微镜（AC-STEM）对CIPS单晶进行了原子级直接成像，以精确跟踪沿（100）-CIPS电子束辐照下Cu（I）的动态行为（如图所示）。结果表明，Cu（I）在外加电子辐照下具有多重占位，Cu（I）可以迁移到InS6八面体骨架之间的晶格、空位、间隙和层间位置，形成CuxInP2S6（x=2-4）局域结构。Cu（I）多重位置占据诱导的晶格应力导致层与层沿b轴方向滑移，产生1/6b晶格常数的晶面滑移。CuxInP2S6（x=2-4）是一种局域动态结构，当电子剂量大于50e它以亚稳态存在，并产生动态过程。这些发现揭示了Cu（I）在CIPS中迁移的潜在机制，为控制其铁电性能的基本过程提供了重要依据。

云南大学材料与能源学院2021级博士研究生郭长金为该论文第一作者，现代工学院胡万彪研究员为通讯作者。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、云南省“兴滇英才支持计划”云岭学者专项、云南省电磁材料与器件重点实验室（筹）、云南大学“双一流”建设专项、云南大学电镜中心的资助和支持。（现代工学院文/图）