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【研究背景】
长期以来，材料中从有序相到非晶相和其他无序相的形成机制一直令学界困惑。传统上，非晶化过程涉及液态熔体的快速冷却，绕过热力学有利的结晶过程。然而，人们也发现了不经过熔融-淬火过程的直接晶体-非晶转变。固态非晶化（SSA）的途径包括离子辐照、高压处理和严重塑性变形。SSA通过向晶体中添加缺陷来进行，从而创造一个亚稳态晶相。当无序度达到阈值时，晶相变得不稳定并崩溃成非晶相。虽然有一些使用机械驱动过程的非晶化案例，但电驱动SSA相对罕见，在新材料中发现它们的途径将有助于设计节能器件。
在单晶锗-锑-碲（Ge-Sb-Te）相变存储合金纳米线中报道了电驱动SSA，其中独特的键合层次、结构畸变和大量的Ge空位之间的相互作用导致了缺陷介导的非晶化。在晶态GeTe中观察到极性有序。然而，来自Ge空位的简并掺杂使系统呈金属性，这排除了极性畴与外电场的直接耦合。因此，在Ge-Sb-Te中，载流子与缺陷和极性畴的相互作用被用来构建低功耗SSA途径。传统铁电体是电绝缘体，这使得序参量可以与电场耦合而不是与载流子耦合。利用铁电系统中的场控制挫折和无序来设计低能SSA是一个未开发的领域，因此需要找到具有适当铁电性质和电导率平衡的材料，以实现与电场和电流的多模式耦合。
【成果介绍】
鉴于此，宾夕法尼亚大学Ritesh Agarwal和印度科学学院Pavan Nukala课题组发表了题为“Electrically driven long-range solid-state amorphization in ferroic In2Se3”的工作在Nature期刊上。该研究探索了In2Se3纳米线新的铁电β″相中电场、电流、随之产生的应力和结构有序之间的不寻常耦合，并说明它如何导致非常规的晶体-非晶转变。研究表明，电场和电流创造了层间滑移诱导的缺陷和耦合的面内极化旋转，最终导致一个受挫的多构型态，这是局部纳米尺度SSA的前驱体。这个过程通过压电应力和应力波动在更大的微观尺度上空间复制，导致长程非晶化。该工作的实验阐明了通过铁电和晶体有序与外场、电流和压电应力之间的多模态耦合而产生的一种本质上不同的有序-无序转变背后的机制。
【图文导读】
图 1. 合成的β″-In2Se3纳米线的TEM表征。a，沿<0001>带轴的电子衍射图。b，HAADF-STEM图像显示沿<1100>的超结构调制。c，Se原子位移图。d，合成的β″-In2Se3纳米线的聚束电子衍射数据。e，从插图HAADF-STEM图像中红线所示区域沿<1100>的线强度剖面映射。f，沿<0001>方向观察时晶体结构示意图。g，EDX线剖面显示沿<1100>方向In和Se成分的周期性变化。h，In2Se3各种多形体的DFT相对能量计算以及晶体结构示意图。
图 2. 直流电压在β″-In2Se3纳米线器件中诱导的非晶化。a, b，施加任何电刺激前原始纳米线器件的DFTEM图像 (a) 和SAED数据 (b)。c，施加到纳米线的0-4 V直流I-V扫描。d，非晶化后纳米线的低放大TEM图像。e-g，如DFTEM图像所示，来自非晶区 (e)、晶体-非晶界面 (f) 和晶区 (g) 的纳米线SAED数据。h，纳米线的DFTEM图像。i, j，在DFTEM图像 (i) 和HRTEM图像 (j) 中进一步显示晶体-非晶界面。k, l，来自纳米线非晶区 (k) 和晶区 (l) 的HRTEM图像。m，非晶化后纳米线In和Se元素的EDX映射。
图 3. 在非晶化前施加一系列直流I-V扫描后滑移缺陷的β″-In2Se3纳米线器件的STEM分析。a，纳米线的I-V扫描。b，电子衍射图。c-e，来自不同纳米线器件在多次I-V扫描后的DFTEM (c)、低放大HRSTEM (d) 和高放大HRSTEM (e) 图像。f，HAADF-HRSTEM图像。g，DFT训练的机器学习计算极化从<1100>到<1120>方向旋转和沿<1100>方向层间滑移的活化能垒。h，通过层间范德华（vdW）滑移机制从1T (ABCAB ABCAB)到D2 (ABCAB BCABC)构型转变的示意图。i，形成具有堆垛构型D5的纳米尺度区域的步骤的模拟结果。
图 4. β″-In2Se3纳米线器件的原位偏压DFTEM成像和非晶化。a, b，另一个纳米线器件初始状态的DFTEM图像 (a) 和相应的FFT (b)。c, d，从DFTEM图像中标记的几个滑移缺陷交叉区域获得的区域的FFT(c)，显示局部有序性的丧失 (d)。e-h，器件的V-t和I-t特性 (e)，以及DFTEM图像 (f-h)。 i，器件的V-t和I-t特性，以及DFTEM图像及其FFT (j-l)。
【总结展望】
总之，本文在施加直流偏压时发现了铁电性β″-In2Se3纳米线中一个独特的长程固态非晶化过程，这个过程是由电场、电流、压电应力、声学跃迁和焦耳热的复杂相互作用促成的。β″-In2Se3是一个模型材料系统，在该系统中，各种材料特性（层状、半导体、铁电和压电）的协同汇集导致了一个非常规的非晶化过程。该研究表明，对其他半导体铁电材料进行类似研究可以揭示其他亚稳相变，这对设计新材料和器件具有潜在价值。
【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).文献链接：https://doi.org/10.1038/s41586-024-08156-8 上海昂维科技有限公司现提供二维材料单晶和薄膜等耗材，器件和光刻掩膜版定制等微纳加工服务，以及各种测试分析，欢迎各位老师和同学咨询，竭诚做好每一份服务。
