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发布日期:2022-09-09
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之江实验室数字反应堆计算材料团队研究成果发表于Science Advances上

近日,之江实验室数字反应堆计算材料研究团队在范德华二维铁电材料性能调控的相场模拟方面取得重要进展。在中国科学院院士、之江实验室数字反应堆计算材料领域首席科学家张统一领衔下,研究团队针对“应变梯度调控范德华二维铁电材料(CIPS)自发极化”的关键科学问题,提出了高效的相场计算模拟方法,成果发表于最新一期的《科学进展》(Science Advances)上。

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近年来,CIPS因其室温强铁电性引起了研究人员的广泛关注。由于极化的可调性,CIPS成为二维电子器件的理想候选者,在铁电场效应晶体管、铁电隧道结和忆阻器中显示出广泛的应用潜力,有望满足未来神经形态计算的需求。

与此同时,CIPS兼具多种新颖的特性,例如负压电系数、强电卡效应等,而且其铁电极化和离子电导之间也存在着有趣关联。CIPS的铁电性与离子电导性主要源于铜离子位移,因此在外部电场作用下虽然能实现极化翻转,但也可能诱发铜离子的长程迁移,这往往造成结构破坏,对器件应用而言十分不利。为避免上述难题,作者团队基于CIPS中的挠曲电效应,发展了一种极化调控的力学方法,即通过施加应变梯度来翻转CIPS的微观畴结构。

在采用应变梯度翻转畴结构时,如何确定CIPS的临界曲率半径,是其在电子器件中应用的关键。针对这一问题,研究团队基于朗道-徳文希尔理论,构建了包含应变梯度的热力学模型,同时提出了高效的相场模拟方法。采用相场模拟,得到了在无外加应变梯度情况下CIPS的畴结构,其中面外正反方向的铁电畴大体随机分布,且占比几乎相等。在此基础上,预测了畴结构随应变梯度的变化规律,发现CIPS面外极化翻转的临界曲率半径约为5 μm,即当曲率半径小于这一临界值时,应变梯度诱导畴翻转才较为明显。这些模拟结果也得到了实验上的验证,两者符合较好。

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图(A)范德华二维铁电CIPS薄膜中原生态畴结构;(B) 畴结构随薄膜曲率半径变化的相场模拟

 

该研究成果充分体现了计算材料学的设计与预测功能,对加速材料研发过程有重要推动作用,将有助于解决神经形态计算新材料性能调控的关键科学问题。

该工作由之江实验室智能计算平台研究中心高级研究专家、浙江大学航空航天学院王杰教授课题组,同南方科技大学、湘潭大学和中科院深圳先进技术研究院共同合作完成,之江实验室为共同通讯作者单位之一。

 

论文链接:

Flexoelectric engineering of van der Waals ferroelectric CuInP2S6

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abq1232

 

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