近期，西安交通大学与中国科学技术大学、湖南师范大学、南京大学等单位合作，在二维层状反铁电材料实验研究中取得突破性进展，在该体系中首次获得了本征六重极化态，提出了垂直铁电/反铁电畴堆叠耦合实现的本征六态和四态机制。该成果3月26日以《反铁电CuInP₂S₆中实现六重极化态及其态间转换》（Realization of sextuple polarization states and interstate switching in antiferroelectric CuInP₂S₆）为题在线发表于材料领域知名期刊《自然·通讯》（Nature Communications）。西安交通大学材料学院李桃教授和硕士研究生吴永毅为文章共同第一作者；西安交通大学闵泰教授、中国科学技术大学张振宇教授、湖南师范大学陈明星教授为共同通讯作者。

在当今数字化社会，随着信息量的指数级增长，对于存储技术的需求也在不断升级，特别是高密度、低功耗的存储技术成为了研究热点之一。其中，非易失性多态存储器可以在单个物理元件中存储多于“0”和“1”的多个状态，具有更高信息密度、更低能耗、更低成本等优势。最新发现铁电材料可以以多种极化状态存在，每种极化状态对应于材料中偶极子的不同构型，也就是本征多极化态，区别于一些铁电器件中测得的多个电阻态。目前实验报道的具有本征多重极化态的铁电材料少之又少。原则上来说，本征多极化态具有更稳定、更持久、更灵活、更低成本等优势，可免于非本征多态器件中所需的额外激励条件或复杂制备工艺。

图1（a）基于压电力显微镜的电滞回线测试示意图；（b）-（d） CuInP₂S₆样品六重极化态转换（S-1到S-6）的相位（Phase）、振幅（Amplitude）和压电响应（Piezoresponse）的滞回曲线；（e）具有六态、四态和二态极化态数的CuInP₂S₆薄膜矫顽场（Vc）的分布图。

 

在该研究工作中，研究团队利用化学气相输运法成功合成了高质量二维CuInP₂S₆单晶，利用压电力显微镜高分辨表征技术（图1a）结合第一性原理计算，率先在CuInP₂S₆薄膜中明确展示了六重本征极化态（图1b-d），是目前众多铁电材料中（包括传统氧化物铁电以及二范德华维铁电）获得最多数量的本征极化态，成功打破了在三维以及二维铁电体系中实现的四重极化态的现状。并且，在CuInP₂S₆的极化翻转过程中，发现了不同于传统铁电材料的非常规现象，即具有不同极化态数目（六、四、二）的极化阶之间可逆转换的现象，打破了铁电材料具有固定极化阶的传统认知。

这些新颖的物理现象不仅为我们理解二维层状铁电材料提供了新的视角，也为设计新型非布尔型纳米电子器件打开了大门，并且其底层机制可以启发同类型层状功能材料的设计与开发。

该项工作得到了国家重点研发计划、鹏诚实验室重大重点项目、国家自然科学基金等科研项目的支持。

 

论文链接：

T. Li, Y. Wu, G. Yu, et al. Realization of sextuple polarization states and interstate switching in antiferroelectric CuInP₂S₆. Nat. Commun. 15, 2653 (2024).

https://doi.org/10.1038/s41467-024-46891-8

https://www.nature.com/articles/s41467-024-46891-8