彭海琳&赖柯吉 Nano Lett.：层状α-In2Se3纳米片的平面外压电及铁电性质

【引言】

二维（2D）范德瓦尔斯（vdW）材料由于具有新颖的电子、磁学、热学以及光学性质而在过去十年间吸引了研究者的极大关注，也使得下一代多功能器件的发展极具希望。在这些不同的功能中，压电和铁电性质被广泛应用在存储器、电容器、制动器以及传感器中，但这些领域鲜有二维材料涉及。在诸如MOS₂这种2H堆叠的过渡金属硫化物（TMDs）中，具有奇数层的超薄片由于块状晶体中晶面对称的缺失使得平面内压电性质在理论中得到了预言，而后又被实验所证实。然而，在器件的应用过程中，平面外的压电和铁电性质对于电路的设计来说更为直接。因此，探索新型的平面外极化二维铁电材料并将其应用在非易失性存储器和光伏器件的同时也能得到具有新型功能的二维范德瓦尔斯异质结就引起了研究者极大的兴趣。

【成果简介】

近日，来自北京大学的彭海琳教授和德克萨斯大学奥斯汀分校的赖柯吉教授（共同通讯）课题组对层状α-In₂Se₃纳米片的平面外压电及铁电性质进行了研究，相关的研究成果以“Out-of-Plane Piezoelectricity and Ferroelectricity in Layered α‑In₂Se₃ Nanoflakes”为题发表在2017年8月25日出版的Nano Letters上^[1]。

二维材料的压电和铁电性质极大限制了其在纳米电子器件、电动机械以及光学领域的应用。范德瓦尔斯层状硒化铟In₂Se₃纳米材料是一种性能优异的光电响应和相变存储材料,彭海琳和赖柯吉前期较早合作研究了层状In₂Se₃纳米结构的可控制备、光电性质和相变性质^[2-7]。本文首次报道了范德瓦尔斯层状材料α‑In₂Se₃纳米片平面外压电和铁电的实验证据。其非中心对称R3m对称性为扫描透射电子显微镜、二次谐波以及拉曼光谱所证实。具有相反极化的畴通过压力响应显微技术得以可视化观察。单点支撑实验说明其极化有可能会在厚度低至约10 nm时发生反转。压电效应也通过一双端器件得到证实，其肖特基势垒可通过张力诱导的压电势进行调节。极性的α-In₂Se₃作为一种具有简单晶体结构的二维压电和铁电材料在光电领域具有极大的应用潜力。

【图文导读】

图1 层状In₂Se₃纳米片的原子结构

（a）R3m空间群α‑In₂Se₃的晶体结构

（b）通过VPD生长的In₂Se₃纳米片的扫描电子显微镜照片（SEM）

（c）沿[120]方向进行切割得到的In₂Se₃纳米片的横截面环形亮场（ABF）STEM图

（d）在平面c中沿蓝色虚线的强度剖面图

图2 In₂Se₃纳米片的二次谐波

（a）由VPD生长的（红色）和剥离出的（蓝色）In₂Se₃纳米片以及GaAs块体反射产生的399nm处的二次谐波强度

（b）s-in/s-out状态中样品方位角θ依赖的二次谐波信号

（c）s-in/p-out状态中样品方位角θ依赖的二次谐波信号

图3 α‑In₂Se₃纳米片的铁电畴

（a-c）α‑In₂Se₃薄片的AFM（a）、PEM相位（b）和振幅图（c）

（d-f）从金表面剥离的α‑In₂Se₃薄片的AFM（d）、PEM相位（e）和振幅图（f）

（g）标记在平面d中不同区域的拉曼光谱

图4 外电场中的极性反转

（a）20 nm薄片的电场内PFM振幅图

（b）20 nm薄片的电场内PFM相位滞回曲线

图5 In₂Se₃器件中的压电效应

（a）弯曲衬底时双端In₂Se₃器件在压缩应变（黑色）、无应变（红色）和拉伸应变（蓝色）时的I-V特性曲线

（b）源漏偏置为零时应变为零的能带图

（c）源漏偏置不为零时应变为零的能带图

（d）源漏偏置不为零时拉伸应力导致的较低的肖特基势垒和增强的电流

（e）源漏偏置不为零时压缩应力导致的较高的肖特基势垒和减弱的电流

【小结】

本文通过结合结构、光学和电学性质对多层α‑ In₂Se₃的平面外压电和铁电性质进行了探索。通过扫描透射电子显微镜（STEM）、二次谐波（SHG）以及拉曼光谱对其非中心对称R3m对称性进行了证实。随后利用PFM对其铁电畴进行了观察。最后，通过对云母衬底的弯曲实现了对电荷输运的调整，同时证明了这一柔性器件在机械以及压电传感器领域的应用潜力。随着进一步降低块体的电荷密度，使得在单层In₂Se₃内实现铁电性成为可能，这使得其能够极大满足存储、传感以及光伏领域的应用需要。

文献链接：

[1] Out-of-Plane Piezoelectricity and Ferroelectricity in Layeredα‑ In₂Se₃ Nanoflakes. Nano Lett., 2017, DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b02198

[2] Thickness-Dependent Dielectric Constant of Few-Layer In₂Se₃Nanoflakes. Nano Lett.2015, 15(12), 8136

[3] Patterning two-dimensional chalcogenide crystals of Bi₂Se₃ and In₂Se₃ and efficient photodetectors. Nature Communications 2015, 6, 6972

[4] Controlled Growth of Atomically Thin In₂Se₃ Flakes by vander Waals Epitaxy. J.Am.Chem.Soc. 2013, 135,13274

[5] Nanoscale Electronic Inhomogeneityin In₂Se₃ Nanoribbons Revealed by Microwave Impedance Microscopy. NanoLett. 2009, 9(3),1265

[6] Large Anisotropy of Electrical Properties in Layer-Structured In₂Se₃ Nanowires. NanoLett. 2008, 8(5),1511

[7] Synthesis and Phase Transformation of In₂Se₃ and CuInSe₂ Nanowires. J.Am.Chem.Soc. 2007, 129(1),34

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