寧波材料所在應(yīng)變工程調(diào)控二維材料磁電性質(zhì)方面取得新進(jìn)展
二維范德華材料具有優(yōu)異的復(fù)雜曲面適應(yīng)性和柔韌性，在柔性電子器件領(lǐng)域具有巨大應(yīng)用潛力。這些材料由原子尺度薄層組成，具有獨(dú)特的層間堆垛序自由度。改變堆垛序可以產(chǎn)生一系列具有獨(dú)特電學(xué)、光學(xué)和磁學(xué)性質(zhì)的鐵電、鐵磁和拓?fù)湎?。調(diào)控不同堆垛序往往需要克服層間滑移的能量勢(shì)壘，傳統(tǒng)光控或電控方法在非極性或金屬體系中存在局限性，這給實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)了挑戰(zhàn)。
近日，中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所柔性磁電功能材料與器件團(tuán)隊(duì)提出了利用機(jī)械彎曲（應(yīng)變梯度）精確操控二維范德華層狀材料的層間堆垛序，實(shí)現(xiàn)電極化的高效切換的策略，為開(kāi)發(fā)基于二維材料的新型柔性電子器件和多功能存儲(chǔ)器件提供了新思路。
在前期工作中，團(tuán)隊(duì)利用人工智能+材料計(jì)算的方法開(kāi)發(fā)了二維材料h-BN和MoS2的機(jī)器學(xué)習(xí)力場(chǎng)模型（Acta Mater. 262, 119416 (2024); Science 385, 57 (2024) ）。該項(xiàng)研究工作基于已開(kāi)發(fā)的力場(chǎng)模型，對(duì)雙層h-BN和MoS2進(jìn)行了大尺度原子模擬，研究發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定的AB堆垛雙層結(jié)構(gòu)通過(guò)面外彎曲特定角度，能夠形成弧形彎曲結(jié)構(gòu)，但隨著應(yīng)變梯度增大，由于二維材料面內(nèi)結(jié)構(gòu)具有高剛性，在彎曲過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生層間連續(xù)滑移。最終形成三種不同的結(jié)構(gòu)（圖1）：平面、31°的單褶皺，31°和57°的雙褶皺，這些結(jié)構(gòu)取決于彎曲角度。同時(shí)，彎曲誘導(dǎo)的滑移還會(huì)帶來(lái)層間電荷轉(zhuǎn)移，從而改變二維材料的電極化，形成多疇結(jié)構(gòu)和極化疇壁。例如31°褶皺會(huì)形成Néel型疇壁，而57°褶皺則是Ising型疇壁（圖2）。通過(guò)構(gòu)建能量模型，發(fā)現(xiàn)這種彎曲誘導(dǎo)褶皺結(jié)構(gòu)的微觀物理起源是層間范德華相互作用能和彎曲應(yīng)變能的相互競(jìng)爭(zhēng)。這項(xiàng)研究為利用應(yīng)變工程動(dòng)態(tài)控制二維材料的堆疊序及相關(guān)光學(xué)、拓?fù)洹㈦娮雍痛判孕再|(zhì)提供了新的視角?？紤]到堆垛序與材料性質(zhì)之間的強(qiáng)相關(guān)性，這種應(yīng)變梯度誘導(dǎo)的層間滑移機(jī)制可以擴(kuò)展到更廣泛的“滑移撓曲響應(yīng)”，如滑移撓曲磁、滑移撓曲光伏和滑移撓曲谷電子學(xué)效應(yīng)等，這為開(kāi)發(fā)新型柔性電子器件和多功能器件提供了全新思路。
該項(xiàng)研究成果以“Switching Two-Dimensional Sliding Ferroelectrics by Mechanical Bending”為題發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)物理期刊Physical Review Letters（DOI: 10.1103/PhysRevLett.134.076101），寧波材料所為第一完成單位。
寧波材料所何日副研究員為第一作者，李潤(rùn)偉研究員、2022級(jí)博士生石與白為合作者，浙江大學(xué)汪華研究員和中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)鐘志誠(chéng)教授為通訊作者。這項(xiàng)工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2022YFA1403000、2021YFA0718900）、國(guó)家自然科學(xué)基金（12204496、12304049、51931011）、浙江省自然科學(xué)基金（Q23A040003）、寧波市自然科學(xué)基金（2023J360）的支持。
圖1 不同彎曲角度下AB疇雙層h-BN的原子結(jié)構(gòu)：(a)沿armchair方向彎曲的平面雙層結(jié)構(gòu)示意圖；(b)–(d)通過(guò)深度勢(shì)能分子動(dòng)力學(xué)弛豫模擬得到的不同初始彎曲角度下的雙層原子結(jié)構(gòu)
圖2 彎曲雙層h-BN的原子構(gòu)型和極化紋理的側(cè)視圖與俯視圖： (a) 31°褶皺，形成了Néel型疇壁，極化方向從向上平滑旋轉(zhuǎn)到向下； (b) 57°褶皺，形成了Ising型疇壁，疇壁中心的極化消失； (c)彎曲變形中層間滑動(dòng)引起的AB、SP、BA和AA堆疊構(gòu)型之間轉(zhuǎn)換的示意圖；紅色箭頭表示滑移方向
（磁性材料與器件實(shí)驗(yàn)室）