Adv. Mater.: 基于应力诱导的单层Janus-GeSe

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在当今科技快速发展的时代，二维（2D）极化材料由于具备独特的电子输运特性而备受关注和期待，特别是在满足设备小型化的需求上显示出巨大的潜力。然而，如何在二维体系有效诱导、调控铁电极化仍充满挑战。尽管近年来对本征和滑移机制的研究日益增多，采用创新机制诱导2D极化的策略依然相对较少。与此同时，作为2D材料的一个重要分支，2D Janus材料由于其独特的非对称结构破坏了反演对称并展现出意想不到的物理和化学特性，成为近年来研究的热点。因此，将2D Janus与2D极化结合，极有可能使其具备更多新颖的、吸引人的重要物理性质。

近日，华东师范大学极化材料与器件教育部重点实验室（CLPM）钟妮教授团队深入研究了第四主族单硫化物GeSe材料的2D Janus状态，展示了利用机械力调控极化的新策略。该工作首次利用纳米探针在单层GeSe中引入了一种通过调制翘曲结构产生的新型2D Janus状态。通过扫描探针显微镜、高分辨透射电子显微镜和密度泛函理论计算等方法，实现并观察到了力诱导的原子级不对称翘曲畸变引起的面外、面内极性。这种Janus状态在去除外部力学干扰后仍能稳定保持，通过调节滑动方向可以实现切换，为配置新型2D极化材料提供新颖的视角，具有巨大的应用前景。相关成果以“Two-dimensional Janus Polarization Functioned by Mechanical Force”为题于2024年5月14日在线发表于Advanced Materials上。

图1. 第一性原理计算区分初始和Janus GeSe。（A-B）初始GeSe的晶体结构和能量图。（C-D）Janus GeSe的晶体结构和能量图。（E-F）Janus GeSe的面内面外极化强度分布图。

研究人员首先通过纳米探针以一定的剪切力沿着极化（扶手）方向滑动（步骤1），随后沿z轴施加压应力进一步增强响应（步骤2）；在移除施加的外部机械力后（步骤3），利用扫描探针显微镜（SPM）检查其极化状态（步骤4）。如图2所示，材料的PFM初始状态呈现单一状态且信号均匀。然而，在一小区域内沿极化方向滑动探针后（单向滑动），机电响应逐渐发生变化。而在单向滑动后，在该区域进一步施加机械压力后，PFM响应变化逐渐增强，诱导出面外极化信号。

图2. 利用压电力显微镜（PFM）提供机械力诱导Janus GeSe的动态过程。（A）机械力诱导方法示意图。（B-C）初始态GeSe的PFM响应。（C-D）滑移后GeSe的PFM响应。（F-G）施加正压力后GeSe的PFM响应。

研究人员利用STEM分析揭示Janus GeSe原子结构。通过观察对比GeSe原始Pnma以及诱导的Janus晶体结构表面层STEM-HAADF图像（图3）发现，由于Janus结构表面层翘曲程度变小，使得第二层偶极子未能完全相互抵消，从而诱导出净面外极化；与此同时，面内反铁电性被打破，使Janus GeSe同时具备面内、面外极化矢量。

图3. [010]方向的高分辨扫描透射电镜-高角度环形暗场 (STEM-HAADF) 图像。（A-C）初始GeSe的表面原子结构。（D-F）Janus GeSe的表面原子结构。（G）表面原子结构放大对比图。

华东师范大学为论文第一完成单位，关赵副研究员，童文旖副研究员以及郑赟喆博士后为论文的共同第一作者，钟妮教授为论文通讯作者。合作者还包括华东师范大学极化材料与器件教育部重点实验室的褚君浩院士，段纯刚教授，向平华教授，黄荣教授，成岩研究员，陈斌斌研究员和中国科学院半导体研究所的魏钟鸣研究员。研究工作获国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海市科技创新行动计划的资助。该项研究感谢上海类脑智能材料与器件研究中心、极化材料与器件教育部重点实验室和华东师范大学公共创新服务平台微纳加工和电镜中心等实验平台支持。