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近日，信息技術學院曹桂銘副教授在國家自然科學基金（62304183）和國家重點研發(fā)計劃項目（2023YFA1607102）支持下，與電子科技大學劉富才教授以及復旦大學李文武研究員團隊合作，以共一/共通訊作者身份在國際頂級期刊《Nature Communications》于5月14日在線發(fā)表了題為“Configurable kinetics of polarization switching via ion migration in ferroionic CuInP₂S₆”的研究論文。這是學校作為通訊單位首次在Nature子刊《Nature Communications》上發(fā)表學術論文。

鐵電材料在非易失性存儲器、神經形態(tài)計算和鐵電光伏等方面具有廣闊的應用前景。設計實現可調控的極化翻轉動力學行為，將為發(fā)展和構建多功能新型鐵電器件提供重要的研究思路，并在高密度存儲器件、復雜神經形態(tài)動力學模擬領域，有著巨大的潛在研究價值。然而，傳統(tǒng)鐵電由于離子僅能發(fā)生局域偏移，通常鐵電極化翻轉只具有單一的動力學過程，在實現可配置的極化翻轉動力學進而發(fā)展多功能鐵電器件方面，面臨著巨大的挑戰(zhàn)。為克服鐵電固有的雙穩(wěn)態(tài)特點，人們基于不同的鐵電相和器件結構，設計出各種鐵電極化翻轉動力學（圖1），實現不同功能的鐵電器件。然而一旦鐵電材料和器件結構確定后，單一的極化翻轉動力學導致器件只能表現出特定的功能。

圖1. 不同鐵電體中極化翻轉過程

范德華層狀鐵電CuInP₂S₆具有獨特的鐵電性和離子電導性的耦合特征，極化切換和跨越范德華層間間隙的離子遷移，均與電場下Cu離子跳躍過程相關。值得注意的是，Cu離子的層內跳躍和層間跳躍分別使得極化反轉方向與所施加的電場同向和反向。CuInP₂S₆這些新穎的物性，使其成為探索豐富極化翻轉過程和發(fā)展可配置的多功能鐵電器件的理想平臺。

圖2. 低維鐵電CuInP₂S₆中的極化翻轉動力學

利用鐵電光伏行為（FePV）間接表征極化態(tài)，規(guī)避了漏電流干擾，首次系統(tǒng)研究了低維鐵電CuInP₂S₆的極化翻轉動力學的物理機制。研究發(fā)現了三種不同的切換模式，分別對應Cu離子的層內跳躍、層內-層間耦合跳躍以及層間跳躍的遷移動力學過程（圖2）。通過設計極化電壓的幅值和脈寬，精細調控Cu離子跳躍過程，在單個器件中實現了可配置的極化切換動力學，包括數字式切換（digital switching）、漸變式切換(gradual switching)和累積式切換(accumulative switching)。該項研究成果為發(fā)展可配置的多功能鐵電器件（如非易失性存儲器、神經形態(tài)計算器件），提供了一種新的設計思路。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-59697-z