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研究背景

固態(tài)非晶化（SSA）是指材料在不經(jīng)過熔化過程的情況下，通過外部刺激直接從晶體態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷B(tài)的現(xiàn)象。近年來，隨著對新型低功耗器件需求的增加，SSA逐漸成為研究熱點。傳統(tǒng)上，非晶化通常通過熔融-淬火過程來實現(xiàn)，然而這種方法能耗高且難以實現(xiàn)精確控制。尤其是電驅(qū)動的固態(tài)非晶化技術(shù)，由于其潛在的能效優(yōu)勢和對微觀結(jié)構(gòu)的可控性，一直是研究的重點。然而，電驅(qū)動SSA的研究較為有限，現(xiàn)有研究多集中在脈沖電流引起的非晶化過程，且多采用熔融-淬火路徑，這限制了其在低功耗和高效能器件中的應(yīng)用。

成果簡介

為了解決這一問題，近年來，科學(xué)家們嘗試通過不同的物理機(jī)制來實現(xiàn)電驅(qū)動SSA，尤其是在鐵電材料中。硒化銦（In?Se?）作為一種既具有鐵電性又具半導(dǎo)電性的材料，為電驅(qū)動SSA提供了獨特的平臺。近日，賓夕法尼亞大學(xué)Ritesh Agarwal教授課題組以及印度科學(xué)學(xué)院Pavan Nukala團(tuán)隊在Nature期刊上發(fā)表了題為“Electrically driven long-range solid-state amorphization in ferroic In2Se3”的最新論文。

本研究通過施加直流偏壓，研究者發(fā)現(xiàn)，在硒化銦β″-相納米線中，電場、電流與壓電應(yīng)力的多重耦合作用可以誘導(dǎo)層間滑移缺陷和面內(nèi)極化旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而導(dǎo)致固態(tài)非晶化的發(fā)生。這一過程不依賴于傳統(tǒng)的熔融-淬火路徑，而是通過低能量電場和電流的結(jié)合，實現(xiàn)了長程的固態(tài)非晶化。

研究亮點

1. 實驗首次實現(xiàn)了電驅(qū)動的固態(tài)長程非晶化，通過直流偏壓在硒化銦（In?Se?）納米線的新型鐵電β″-相中得到長程非晶化現(xiàn)象。這一過程沒有經(jīng)歷傳統(tǒng)的熔融-淬火步驟，而是通過電場、電流和內(nèi)部應(yīng)力的耦合作用，首次展示了電誘導(dǎo)的非晶化。

2. 實驗通過施加電場、電流和壓電應(yīng)力的復(fù)合作用，在納米尺度上形成了層間滑移缺陷和面內(nèi)極化旋轉(zhuǎn)。這種耦合作用導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)的挫敗，當(dāng)無序度達(dá)到臨界點時，材料局部崩塌成非晶相。

3. 實驗發(fā)現(xiàn)該非晶化過程在更大的微觀尺度上被聲學(xué)躍變復(fù)制，通過應(yīng)力波動和壓電效應(yīng)的影響，導(dǎo)致了長程的非晶化。這一現(xiàn)象展示了材料中鐵電順序與外部電場、電流及應(yīng)力之間的復(fù)雜耦合機(jī)制。

圖文解讀

圖1：原位合成的β″-In?Se?納米線的透射電子顯微鏡（TEM）表征。

圖2：β″-In?Se?納米線器件在直流電壓作用下誘發(fā)的非晶化。

圖3：β″-In?Se?納米線器件在施加一系列直流電流-電壓掃描前后的掃描透射電子顯微鏡（STEM）分析，顯示滑移缺陷的形成。

圖4：β″-In?Se?納米線器件的原位偏壓動態(tài)透射電子顯微鏡（DFTEM）成像及非晶化現(xiàn)象的觀察。

結(jié)論展望

本文揭示了β″-In?Se?納米線在直流偏壓作用下的獨特長程固態(tài)非晶化（SSA）過程，展示了鐵電、半導(dǎo)體、壓電等多種材料特性相互作用下的非常規(guī)相變機(jī)制。這一發(fā)現(xiàn)為理解多功能材料中的亞穩(wěn)態(tài)相變提供了新的視角，尤其是在鐵電材料中，不僅限于傳統(tǒng)的晶體轉(zhuǎn)變，還可能涉及新的非晶態(tài)轉(zhuǎn)變。

研究結(jié)果表明，施加的電場、壓電應(yīng)力、電流及焦耳加熱等因素在這一過程中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，這一多物理場耦合作用可能在其他材料系統(tǒng)中也能引發(fā)類似的現(xiàn)象，開辟了新型材料和器件設(shè)計的可能性。未來，探索更多半導(dǎo)體鐵電材料的相變機(jī)制，不僅有助于揭示材料內(nèi)在的復(fù)雜物理過程，還可能推動可控功能材料的開發(fā)，特別是在信息存儲、傳感器及自適應(yīng)器件等領(lǐng)域。

文獻(xiàn)信息

Modi, G., Parate, S.K., Kwon, C. et al. Electrically driven long-range solid-state amorphization in ferroic In2Se3. Nature (2024).

原創(chuàng)文章，作者：zhan1，如若轉(zhuǎn)載，請注明來源華算科技，注明出處：http://www.zzhhcy.com/index.php/2024/11/08/ab6672d044/

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