二维材料，再登Nature！

研究背景

固态非晶化（SSA）是指材料在不经过熔化过程的情况下，通过外部刺激直接从晶体态转变为非晶态的现象。近年来，随着对新型低功耗器件需求的增加，SSA逐渐成为研究热点。传统上，非晶化通常通过熔融-淬火过程来实现，然而这种方法能耗高且难以实现精确控制。尤其是电驱动的固态非晶化技术，由于其潜在的能效优势和对微观结构的可控性，一直是研究的重点。然而，电驱动SSA的研究较为有限，现有研究多集中在脉冲电流引起的非晶化过程，且多采用熔融-淬火路径，这限制了其在低功耗和高效能器件中的应用。

成果简介

为了解决这一问题，近年来，科学家们尝试通过不同的物理机制来实现电驱动SSA，尤其是在铁电材料中。硒化铟（In₂Se₃）作为一种既具有铁电性又具半导电性的材料，为电驱动SSA提供了独特的平台。近日，宾夕法尼亚大学Ritesh Agarwal教授课题组以及印度科学学院Pavan Nukala团队在Nature期刊上发表了题为“Electrically driven long-range solid-state amorphization in ferroic In2Se3”的最新论文。

本研究通过施加直流偏压，研究者发现，在硒化铟β″-相纳米线中，电场、电流与压电应力的多重耦合作用可以诱导层间滑移缺陷和面内极化旋转，进而导致固态非晶化的发生。这一过程不依赖于传统的熔融-淬火路径，而是通过低能量电场和电流的结合，实现了长程的固态非晶化。

研究亮点

1. 实验首次实现了电驱动的固态长程非晶化，通过直流偏压在硒化铟（In₂Se₃）纳米线的新型铁电β″-相中得到长程非晶化现象。这一过程没有经历传统的熔融-淬火步骤，而是通过电场、电流和内部应力的耦合作用，首次展示了电诱导的非晶化。

2. 实验通过施加电场、电流和压电应力的复合作用，在纳米尺度上形成了层间滑移缺陷和面内极化旋转。这种耦合作用导致了结构的挫败，当无序度达到临界点时，材料局部崩塌成非晶相。

3. 实验发现该非晶化过程在更大的微观尺度上被声学跃变复制，通过应力波动和压电效应的影响，导致了长程的非晶化。这一现象展示了材料中铁电顺序与外部电场、电流及应力之间的复杂耦合机制。

图文解读

图1：原位合成的β″-In₂Se₃纳米线的透射电子显微镜（TEM）表征。

图2：β″-In₂Se₃纳米线器件在直流电压作用下诱发的非晶化。

图3：β″-In₂Se₃纳米线器件在施加一系列直流电流-电压扫描前后的扫描透射电子显微镜（STEM）分析，显示滑移缺陷的形成。

图4：β″-In₂Se₃纳米线器件的原位偏压动态透射电子显微镜（DFTEM）成像及非晶化现象的观察。

结论展望

本文揭示了β″-In₂Se₃纳米线在直流偏压作用下的独特长程固态非晶化（SSA）过程，展示了铁电、半导体、压电等多种材料特性相互作用下的非常规相变机制。这一发现为理解多功能材料中的亚稳态相变提供了新的视角，尤其是在铁电材料中，不仅限于传统的晶体转变，还可能涉及新的非晶态转变。

研究结果表明，施加的电场、压电应力、电流及焦耳加热等因素在这一过程中发挥了关键作用，这一多物理场耦合作用可能在其他材料系统中也能引发类似的现象，开辟了新型材料和器件设计的可能性。未来，探索更多半导体铁电材料的相变机制，不仅有助于揭示材料内在的复杂物理过程，还可能推动可控功能材料的开发，特别是在信息存储、传感器及自适应器件等领域。

文献信息

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

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