二维范德华材料中的层依赖的物理特性是一个备受关注的研究热点，例如石墨烯中层关联的电子结构，CrI₃中层依赖的磁序等。二维范德华铁电材料是否具有层依赖的铁电极化特性也备受关注。因此，探索层依赖的本征铁电极化和极化反转以及研究极化关联的输运对理解二维铁电极化的物理机制和引导构建铁电基器件极为重要。
山西师范大学薛武红副教授和许小红教授发现了2Hα-In₂Se₃具有层依赖的铁电极化现象。与2Hα-In₂Se₃偶数层相比，奇数层具有较大的面内电极化且能够实现极化反转；由于面内和面外极化的关联性，当面内极化被电场反转后，面外极化也出现类似的层依赖特性（图1）。该结果丰富了二维材料家族的层依赖物理特性，为有效构建极化关联的纳米器件（如：存内运算和复杂的神经形态运算等）提供了有意义的指导。相关论文以题目为“Layer-Dependent Ferroelectricity in 2H-Stacked Few-Layerα-In₂Se₃”发表在Materials Horizons期刊上。Materials Horizons是英国皇家化学会最高影响力的期刊之一，影响因子为12.3。论文链接：https://doi.org/10.1039/D0MH01863E


图1：不同层数的2Hα-In₂Se₃的面内极化反转
所制备的2Hα-In₂Se₃单晶纳米片尺寸大（>200 um）、超薄（~1.9 nm）、结晶质量高。球差电镜截面图可以清晰地看到其相邻两层的原子呈反平行排列，这种层堆垛构型会导致面内层间极化方向反平行，从而致使偶数层样品的面内极化几乎为零，而奇数层具有剩余极化。该种结构特点能更好的帮助理解层依赖的极化特性（图2）。

图2：2Hα-In₂Se₃纳米片的形貌和微观结构
将高质量的2Hα-In₂Se₃单晶纳米片制备成铁电基场效应晶体管器件，发现极化反转可诱导一种负微分效应，所对应的矫顽场（～1.625 kV/cm）比传统铁电材料小1-2数量级，在白光照射下峰电流密度被进一步增大，通过背栅电压调控，器件的峰/谷电流比能高达7。以上结果表明2Hα-In₂Se₃在极化关联的低能耗纳米器件中具有很大的应用潜力（图3）。

图3：2Hα-In₂Se₃基场效应晶体管器件的I-V特性及其光和电调控
山西师范大学博士研究生吕宝华和严志为论文共同第一作者，山西师范大学薛武红副教授、许小红教授为共同通讯作者。该工作得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金等项目的支持。（科技处 供稿）