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近日，信息技術(shù)學(xué)院曹桂銘副教授在國(guó)家自然科學(xué)基金（62304183）和國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2023YFA1607102）支持下，與電子科技大學(xué)劉富才教授以及復(fù)旦大學(xué)李文武研究員團(tuán)隊(duì)合作，以共一/共通訊作者身份在國(guó)際頂級(jí)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(xué)校作為通訊單位首次在Nature子刊《Nature Communications》上發(fā)表學(xué)術(shù)論文。

鐵電材料在非易失性存儲(chǔ)器、神經(jīng)形態(tài)計(jì)算和鐵電光伏等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)可調(diào)控的極化翻轉(zhuǎn)動(dòng)力學(xué)行為，將為發(fā)展和構(gòu)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(chǔ)器件、復(fù)雜神經(jīng)形態(tài)動(dòng)力學(xué)模擬領(lǐng)域，有著巨大的潛在研究?jī)r(jià)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(zhuǎn)只具有單一的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，在實(shí)現(xiàn)可配置的極化翻轉(zhuǎn)動(dòng)力學(xué)進(jìn)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(diǎn)，人們基于不同的鐵電相和器件結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出各種鐵電極化翻轉(zhuǎn)動(dòng)力學(xué)（圖1），實(shí)現(xiàn)不同功能的鐵電器件。然而一旦鐵電材料和器件結(jié)構(gòu)確定后，單一的極化翻轉(zhuǎn)動(dòng)力學(xué)導(dǎo)致器件只能表現(xiàn)出特定的功能。

圖1. 不同鐵電體中極化翻轉(zhuǎn)過(guò)程

范德華層狀鐵電CuInP₂S₆具有獨(dú)特的鐵電性和離子電導(dǎo)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(chǎng)下Cu離子跳躍過(guò)程相關(guān)。值得注意的是，Cu離子的層內(nèi)跳躍和層間跳躍分別使得極化反轉(zhuǎn)方向與所施加的電場(chǎng)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(zhuǎn)過(guò)程和發(fā)展可配置的多功能鐵電器件的理想平臺(tái)。

圖2. 低維鐵電CuInP₂S₆中的極化翻轉(zhuǎn)動(dòng)力學(xué)

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(zhuǎn)動(dòng)力學(xué)的物理機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)了三種不同的切換模式，分別對(duì)應(yīng)Cu離子的層內(nèi)跳躍、層內(nèi)-層間耦合跳躍以及層間跳躍的遷移動(dòng)力學(xué)過(guò)程（圖2）。通過(guò)設(shè)計(jì)極化電壓的幅值和脈寬，精細(xì)調(diào)控Cu離子跳躍過(guò)程，在單個(gè)器件中實(shí)現(xiàn)了可配置的極化切換動(dòng)力學(xué)，包括數(shù)字式切換（digital switching）、漸變式切換(gradual switching)和累積式切換(accumulative switching)。該項(xiàng)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(chǔ)器、神經(jīng)形態(tài)計(jì)算器件），提供了一種新的設(shè)計(jì)思路。

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