近年来，以CuInP2S6（CIPS）为代表的范德华（vdW）层状铁电材料受到学术界和工业界的广泛关注，因为其在单原子层极限下仍能保持稳定的铁电性，同时在纳米电子学和光电子学等领域展现出巨大的应用潜力。近日，光仪学院李大卫教授团队在范德华层状铁电CIPS研究领域取得新进展，解决了如何实现CIPS及其异质结构中的非线性光学响应探测与调控，如何在CIPS等层状铁电材料中实现精确的畴控制等关键挑战。相关研究成果先后被纳米科学领域知名期刊《美国化学学会纳米杂志》（ACS Nano）、纳米材料领域著名期刊《微尺度》（Small）等刊发。
CIPS作为一种具有室温以上居里温度（TC）的vdW层状铁电材料，展现出强大的电学和光学特性。CIPS可与其他vdW材料形成铁电异质结构，使其在多功能和可重构光电器件领域中具有巨大应用前景，例如非易失性存储器、负电容晶体管、铁电二极管和隧道结等。然而，关于CIPS及其异质结构的非线性光学响应研究仍较为有限。因此，如何实现CIPS及其异质结构中的非线性光学响应探测与调控，对于理解vdW铁电非线性光学性质，以及实现vdW铁电异质结构在纳尺度非线性光学调制器、光信息存储和非线性光学成像中的应用，具有重要的科学和应用价值。
鉴于此，我校李大卫教授团队与美国内布拉斯加林肯大学洪霞教授团队合作，率先在CIPS及其与单层MoS2异质结构中观察到巨大且可调的二次谐波（SHG）响应。研究表明，CIPS在从少层到块体的厚度范围内均表现出强烈的SHG响应，且各向异性显著，表明其非中心对称结构的有效性。通过与单层MoS2形成异质结界面，实现了对CIPS中SHG响应的强调控，表明CIPS/二维半导体异质结构在非线性光学应用中的巨大潜力。通过结合偏振、温度和厚度依赖的SHG和光致发光光谱分析，揭示了CIPS/MoS2异质结构中SHG信号的调控机制主要来源于光吸收介导界面耦合，而非材料极性对称性，这一发现为理解和设计新型非线性光电材料与器件提供了新视角。相关研究成果以“单层MoS2界面诱导范德华层状铁电CuInP2S6二次谐波响应巨大调控”（Giant Modulation of Second-Harmonic Generation in CuInP2S6by Interfacing with MoS2Atomic Layers）为题发表在《美国化学学会纳米杂志》（ACS Nano）（2024,18,32890.影响因子：17.1），光仪学院硕士生侯心怡为（除导师外）第一作者，李大卫教授、洪霞教授为通讯作者。
反射模式下CIPS/1L-MoS2异质界面SHG产生与调控
另外，vdW层状铁电材料CIPS作为室温铁电绝缘体，具有直接宽带隙（≈2.9eV）、较高居里温度（TC≈320K）和大的面外极化（≈4.15μC/cm2）等特性，其独特结构使其在新型纳米电子和纳米光子器件中极具应用潜力。然而，在CIPS中，由于Cu离子的移动，外部电场驱动的畴写入会产生不稳定的畴和扩散的畴壁，甚至导致材料击穿，阻碍了其在极化依赖器件中的应用。因此，在CIPS等层状铁电材料中实现精确的畴控制仍然是一个挑战。一种有效策略是通过将CIPS与铁电氧化物薄膜形成界面来控制CIPS的畴形成，但其背后的铁电调控机制尚不明晰，特别是缺乏实验证据来证明界面应变诱导的结构畸变效应。
鉴于此，李大卫教授团队采用光致发光（PL）光谱、压电力显微镜（PFM）和密度泛函理论（DFT）计算相结合的方法，阐明了基于铁电衬底的界面应变诱导CIPS中铁电调控与增强。PFM测试发现，薄层CIPS纳米片形成了与PZT和P（VDF-TrFE）铁电薄膜相同的畴结构，表明通过铁电衬底增强了CIPS的极化取向。PL光谱结合DFT计算分析显示，与在一般衬底上CIPS相比，在铁电衬底上CIPS的PL发射峰出现了显著的红移（高达0.21eV），从而揭示了界面拉伸应变诱导的CIPS晶格变化。通过比较分析PZT和CIPS/PZT上的单层MoS2的PL光谱，证明了CIPS的极化取向与铁电衬底的极化取向是反向对齐关系。原位变温PL光谱研究表明，在铁电衬底上的薄层CIPS表现出增强的TC（>200℃）。相关研究成果以“基于铁电衬底的界面应变诱导CuInP2S6中铁电调控与增强的实验证明”（Optical Evidence of Interfacial Strain-Induced Ferroelectric Tuning and Enhancement in CuInP2S6via Ferroelectric Substrate）为题，发表在《微尺度》（Small）（2024,2409879.影响因子：13.0），硕士生侯心怡为第一作者，李大卫教授为通讯作者
基于铁电衬底的界面应变诱导CIPS铁电极化调控与增强
以上研究工作得到国家自然科学基金面上项目、青年人才项目、教育部春晖计划合作科研项目、辽宁省自然科学基金面上项目、我校才引进专项等多个项目的大力支持。
文章来源：大连理工大学
