近年來，以CuInP2S6（CIPS）為代表的范德華（vdW）層狀鐵電材料受到學術界和工業界的廣泛關注，因為其在單原子層極限下仍能保持穩定的鐵電性，同時在納米電子學和光電子學等領域展現出巨大的應用潛力。近日，光儀學院李大衛教授團隊在范德華層狀鐵電CIPS研究領域取得新進展，解決了如何實現CIPS及其異質結構中的非線性光學響應探測與調控，如何在CIPS等層狀鐵電材料中實現精確的疇控制等關鍵挑戰。相關研究成果先后被納米科學領域知名期刊《美國化學學會納米雜志》（ACS Nano）、納米材料領域著名期刊《微尺度》（Small）等刊發。
CIPS作為一種具有室溫以上居里溫度（TC）的vdW層狀鐵電材料，展現出強大的電學和光學特性。CIPS可與其他vdW材料形成鐵電異質結構，使其在多功能和可重構光電器件領域中具有巨大應用前景，例如非易失性存儲器、負電容晶體管、鐵電二極管和隧道結等。然而，關于CIPS及其異質結構的非線性光學響應研究仍較為有限。因此，如何實現CIPS及其異質結構中的非線性光學響應探測與調控，對于理解vdW鐵電非線性光學性質，以及實現vdW鐵電異質結構在納尺度非線性光學調制器、光信息存儲和非線性光學成像中的應用，具有重要的科學和應用價值。
鑒于此，我校李大衛教授團隊與美國內布拉斯加林肯大學洪霞教授團隊合作，率先在CIPS及其與單層MoS2異質結構中觀察到巨大且可調的二次諧波（SHG）響應。研究表明，CIPS在從少層到塊體的厚度范圍內均表現出強烈的SHG響應，且各向異性顯著，表明其非中心對稱結構的有效性。通過與單層MoS2形成異質結界面，實現了對CIPS中SHG響應的強調控，表明CIPS/二維半導體異質結構在非線性光學應用中的巨大潛力。通過結合偏振、溫度和厚度依賴的SHG和光致發光光譜分析，揭示了CIPS/MoS2異質結構中SHG信號的調控機制主要來源于光吸收介導界面耦合，而非材料極性對稱性，這一發現為理解和設計新型非線性光電材料與器件提供了新視角。相關研究成果以“單層MoS2界面誘導范德華層狀鐵電CuInP2S6二次諧波響應巨大調控”（Giant Modulation of Second-Harmonic Generation in CuInP2S6 by Interfacing with MoS2 Atomic Layers）為題發表在《美國化學學會納米雜志》（ACS Nano）（2024,18,32890.影響因子：17.1），光儀學院碩士生侯心怡為（除導師外）第一作者，李大衛教授、洪霞教授為通訊作者。
反射模式下CIPS/1L-MoS2異質界面SHG產生與調控
另外，vdW層狀鐵電材料CIPS作為室溫鐵電絕緣體，具有直接寬帶隙（≈2.9eV）、較高居里溫度（TC≈320K）和大的面外極化（≈4.15μC/cm2）等特性，其獨特結構使其在新型納米電子和納米光子器件中極具應用潛力。然而，在CIPS中，由于Cu離子的移動，外部電場驅動的疇寫入會產生不穩定的疇和擴散的疇壁，甚至導致材料擊穿，阻礙了其在極化依賴器件中的應用。因此，在CIPS等層狀鐵電材料中實現精確的疇控制仍然是一個挑戰。一種有效策略是通過將CIPS與鐵電氧化物薄膜形成界面來控制CIPS的疇形成，但其背后的鐵電調控機制尚不明晰，特別是缺乏實驗證據來證明界面應變誘導的結構畸變效應。
鑒于此，李大衛教授團隊采用光致發光（PL）光譜、壓電力顯微鏡（PFM）和密度泛函理論（DFT）計算相結合的方法，闡明了基于鐵電襯底的界面應變誘導CIPS中鐵電調控與增強。PFM測試發現，薄層CIPS納米片形成了與PZT和P（VDF-TrFE）鐵電薄膜相同的疇結構，表明通過鐵電襯底增強了CIPS的極化取向。PL光譜結合DFT計算分析顯示，與在一般襯底上CIPS相比，在鐵電襯底上CIPS的PL發射峰出現了顯著的紅移（高達0.21eV），從而揭示了界面拉伸應變誘導的CIPS晶格變化。通過比較分析PZT和CIPS/PZT上的單層MoS2的PL光譜，證明了CIPS的極化取向與鐵電襯底的極化取向是反向對齊關系。原位變溫PL光譜研究表明，在鐵電襯底上的薄層CIPS表現出增強的TC（>200℃）。相關研究成果以“基于鐵電襯底的界面應變誘導CuInP2S6中鐵電調控與增強的實驗證明”（Optical Evidence of Interfacial Strain-Induced Ferroelectric Tuning and Enhancement in CuInP2S6 via Ferroelectric Substrate）為題，發表在《微尺度》（Small）（2024,2409879.影響因子：13.0），碩士生侯心怡為第一作者，李大衛教授為通訊作者。
基于鐵電襯底的界面應變誘導CIPS鐵電極化調控與增強
以上研究工作得到國家自然科學基金面上項目、青年人才項目、教育部春暉計劃合作科研項目、遼寧省自然科學基金面上項目、我校人才引進專項等多個項目的大力支持。