宁波材料所在应变工程调控二维材料磁电性质方面取得新进展

　　二维范德华材料具有优异的复杂曲面适应性和柔韧性，在柔性电子器件领域具有巨大应用潜力。这些材料由原子尺度薄层组成，具有独特的层间堆垛序自由度。改变堆垛序可以产生一系列具有独特电学、光学和磁学性质的铁电、铁磁和拓扑相。调控不同堆垛序往往需要克服层间滑移的能量势垒，传统光控或电控方法在非极性或金属体系中存在局限性，这给实际应用带来了挑战。

　　近日，中国科学院宁波材料技术与工程研究所柔性磁电功能材料与器件团队提出了利用机械弯曲（应变梯度）精确操控二维范德华层状材料的层间堆垛序，实现电极化的高效切换的策略，为开发基于二维材料的新型柔性电子器件和多功能存储器件提供了新思路。

　　在前期工作中，团队利用人工智能+材料计算的方法开发了二维材料h-BN和MoS2的机器学习力场模型（Acta Mater. 262, 119416 (2024); Science 385, 57 (2024) ）。该项研究工作基于已开发的力场模型，对双层h-BN和MoS2进行了大尺度原子模拟，研究发现稳定的AB堆垛双层结构通过面外弯曲特定角度，能够形成弧形弯曲结构，但随着应变梯度增大，由于二维材料面内结构具有高刚性，在弯曲过程中，会产生层间连续滑移。最终形成三种不同的结构（图1）：平面、31°的单褶皱，31°和57°的双褶皱，这些结构取决于弯曲角度。同时，弯曲诱导的滑移还会带来层间电荷转移，从而改变二维材料的电极化，形成多畴结构和极化畴壁。例如31°褶皱会形成Néel型畴壁，而57°褶皱则是Ising型畴壁（图2）。通过构建能量模型，发现这种弯曲诱导褶皱结构的微观物理起源是层间范德华相互作用能和弯曲应变能的相互竞争。这项研究为利用应变工程动态控制二维材料的堆叠序及相关光学、拓扑、电子和磁性性质提供了新的视角。考虑到堆垛序与材料性质之间的强相关性，这种应变梯度诱导的层间滑移机制可以扩展到更广泛的“滑移挠曲响应”，如滑移挠曲磁、滑移挠曲光伏和滑移挠曲谷电子学效应等，这为开发新型柔性电子器件和多功能器件提供了全新思路。

　　该项研究成果以“Switching Two-Dimensional Sliding Ferroelectrics by Mechanical Bending”为题发表在国际顶级物理期刊Physical Review Letters（DOI: 10.1103/PhysRevLett.134.076101），宁波材料所为第一完成单位。

　　宁波材料所何日副研究员为第一作者，李润伟研究员、2022级博士生石与白为合作者，浙江大学汪华研究员和中国科学技术大学钟志诚教授为通讯作者。这项工作得到了国家重点研发计划（2022YFA1403000、2021YFA0718900）、国家自然科学基金（12204496、12304049、51931011）、浙江省自然科学基金（Q23A040003）、宁波市自然科学基金（2023J360）的支持。

　　图1 不同弯曲角度下AB畴双层h-BN的原子结构：(a)沿armchair方向弯曲的平面双层结构示意图；(b)–(d)通过深度势能分子动力学弛豫模拟得到的不同初始弯曲角度下的双层原子结构

　　图2 弯曲双层h-BN的原子构型和极化纹理的侧视图与俯视图： (a) 31°褶皱，形成了Néel型畴壁，极化方向从向上平滑旋转到向下； (b) 57°褶皱，形成了Ising型畴壁，畴壁中心的极化消失； (c)弯曲变形中层间滑动引起的AB、SP、BA和AA堆叠构型之间转换的示意图；红色箭头表示滑移方向

（磁性材料与器件实验室）