研究发现范德华力在薄膜材料性能调控中发挥关键作用

研究人员近日证明，可以利用范德华力调控铁电薄膜的物理和电子性质。这项研究为开发尺寸更小、能耗更低的新一代电子器件提供了新的材料工程策略。

外延生长是指在一种晶体材料表面沉积另一种晶体材料形成晶体层的过程。”论文共同通讯作者、北卡罗来纳州立大学材料科学与工程系助理教授Yin Liu表示。“对于传统薄膜外延而言，当两层材料通过化学键结合时，它们的晶体结构需要高度匹配。然而，如果两层材料通过范德华力结合，则它们可以具有不同的取向关系。

我们希望了解，范德华力的强弱是否会影响外延材料的物理和电学性质。”

在本研究中，研究人员在单层二硫化钼（MoS₂）上生长了硒化锡（SnSe）薄膜。之所以选择SnSe，是因为其是铁电研究领域广泛关注的代表性材料；而MoS₂则是一种能够方便集成到电子器件中的二维材料。

Yin Liu表示：

“我们选择这两种材料还有一个重要原因：MoS₂与SnSe之间具有非常接近的晶格匹配关系，即两种材料的晶体结构高度对应。这种良好的晶格匹配使得两者之间的范德华相互作用相对较强。此前已有研究考察了在石墨烯等衬底上生长的SnSe薄膜，而这些体系中的范德华作用较弱。我们希望比较不同范德华作用强度如何影响外延材料的结构和性能。”

研究发现，晶格匹配程度与范德华作用强度共同决定了外延材料的三项关键特征：薄膜厚度；应变状态；畴结构。

其中，厚度是指材料中晶体层的数量；应变状态描述材料在原子尺度上的拉伸或压缩程度；而畴结构则反映材料内部不同区域极化方向的分布情况。

“这些特征都会影响材料的物理和电子性质。”Yin Liu说。

“我们的研究表明，在理解和设计铁电薄膜材料时，需要更加重视范德华力所发挥的作用。范德华力有望成为一种重要工具，用于针对不同应用需求进行材料性能工程化设计。”

研究团队还发现，以单层MoS₂作为衬底能够生长出比以往报道更大尺寸、更高质量的SnSe薄膜。与此前使用的衬底相比，这些薄膜具有更大的横向尺寸和覆盖面积，同时缺陷密度更低。

“这种衬底体系展现出很大的应用潜力，值得进一步深入研究。”刘寅表示。

该研究成果以 《少层铁电锡硫族化物中厚度、应变与畴结构的异质外延调控》（Heteroepitaxial Control of Thickness, Strain, and Domain Architecture in Few-Layer Ferroelectric Tin Monochalcogenides） 为题发表在《ACS Nano》期刊。

论文第一作者为北卡罗来纳州立大学博士研究生Yueyin Wang。共同通讯作者为佛罗里达大学的Honggyu Kim教授。其他作者来自北卡罗来纳州立大学、佛罗里达大学、宾夕法尼亚州立大学、阿贡国家实验室以及德州农工大学。

本研究获得以下机构资助：

美国国家科学基金会（NSF，项目号：2340751、2338558、2442399、2143642）

美国能源部（DOE，项目号：DE-AC02-06CH11357、DE-SC0021118）

美国化学会石油研究基金（ACS Petroleum Research Fund，项目号：68244-DNI10）

研究亮点

研究团队以铁电SnSe和SnS为模型体系，通过在单层MoS₂范德华模板上进行异质外延生长，实现了对少层铁电材料厚度、应变状态及畴结构的精确调控。与传统生长方式相比，MoS₂模板促进了外延取向对齐，获得了具有更高晶体质量、更大横向尺寸以及完整覆盖度的超薄SnSe薄膜。强烈的界面外延耦合诱导显著面内应变，并稳定形成层级化铁弹畴结构。研究进一步证实，SnSe表现出稳定的面内铁电极化、可重复的极化翻转以及接近1000的非易失铁电电阻开关比。同时，研究发现铁电可翻转性具有明显的厚度依赖性，仅在约10层以下得以保持。该范德华异质外延策略同样适用于SnS体系，为二维铁电材料与CMOS兼容的大面积MoS₂模板集成提供了通用且可扩展的新途径，有望推动下一代存储器和低功耗光电子器件的发展。