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研究背景

固態(tài)非晶化（SSA）是指材料在不經(jīng)過(guò)熔化過(guò)程的情況下，通過(guò)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(lái)，隨著對(duì)新型低功耗器件需求的增加，SSA逐漸成為研究熱點(diǎn)。傳統(tǒng)上，非晶化通常通過(guò)熔融-淬火過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)，然而這種方法能耗高且難以實(shí)現(xiàn)精確控制。尤其是電驅(qū)動(dòng)的固態(tài)非晶化技術(shù)，由于其潛在的能效優(yōu)勢(shì)和對(duì)微觀結(jié)構(gòu)的可控性，一直是研究的重點(diǎn)。然而，電驅(qū)動(dòng)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(guò)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(jiǎn)介

為了解決這一問(wèn)題，近年來(lái)，科學(xué)家們嘗試通過(guò)不同的物理機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)電驅(qū)動(dòng)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(dòng)SSA提供了獨(dú)特的平臺(tái)。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(duì)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(guò)施加直流偏壓，研究者發(fā)現(xiàn)，在硒化銦β″-相納米線(xiàn)中，電場(chǎng)、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(guò)程不依賴(lài)于傳統(tǒng)的熔融-淬火路徑，而是通過(guò)低能量電場(chǎng)和電流的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)程的固態(tài)非晶化。

研究亮點(diǎn)

1. 實(shí)驗(yàn)首次實(shí)現(xiàn)了電驅(qū)動(dòng)的固態(tài)長(zhǎng)程非晶化，通過(guò)直流偏壓在硒化銦（In?Se?）納米線(xiàn)的新型鐵電β″-相中得到長(zhǎng)程非晶化現(xiàn)象。這一過(guò)程沒(méi)有經(jīng)歷傳統(tǒng)的熔融-淬火步驟，而是通過(guò)電場(chǎng)、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(shí)驗(yàn)通過(guò)施加電場(chǎng)、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(wú)序度達(dá)到臨界點(diǎn)時(shí)，材料局部崩塌成非晶相。

3. 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)該非晶化過(guò)程在更大的微觀尺度上被聲學(xué)躍變復(fù)制，通過(guò)應(yīng)力波動(dòng)和壓電效應(yīng)的影響，導(dǎo)致了長(zhǎng)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(chǎng)、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(xiàn)的透射電子顯微鏡（TEM）表征。

圖2：β″-In?Se?納米線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)器件的原位偏壓動(dòng)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(xiàn)在直流偏壓作用下的獨(dú)特長(zhǎng)程固態(tài)非晶化（SSA）過(guò)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(chǎng)、壓電應(yīng)力、電流及焦耳加熱等因素在這一過(guò)程中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，這一多物理場(chǎng)耦合作用可能在其他材料系統(tǒng)中也能引發(fā)類(lèi)似的現(xiàn)象，開(kāi)辟了新型材料和器件設(shè)計(jì)的可能性。未來(lái)，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(guò)程，還可能推動(dòng)可控功能材料的開(kāi)發(fā)，特別是在信息存儲(chǔ)、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(qǐng)注明來(lái)源華算科技，注明出處：http://m.xiubac.cn/index.php/2024/11/08/ab6672d044/

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