中大新聞網(wǎng)訊（通訊員謝添）柔性電子學(xué)院黃維院士團(tuán)隊王來源副教授課題組長期聚焦微納光電器件的研究，針對相變半導(dǎo)體，探究其在電子束/激光輻照、離子摻雜、靜電調(diào)控等多種外界刺激下的相變行為及其物理性質(zhì)的轉(zhuǎn)變，進(jìn)而構(gòu)筑高性能多功能新興信息器件。近期團(tuán)隊與加州大學(xué)洛杉磯分校和蘭州大學(xué)合作，打破傳統(tǒng)理論，在國際頂級期刊 Nature Materials 上發(fā)表題為《Interlayer reconstruction phase transition in van der Waals materials》的研究論文，發(fā)現(xiàn)了一種全新的“拉鎖式層內(nèi)劈裂層間重組”相變機制，有望用于開發(fā)低能耗感存算一體神經(jīng)形態(tài)器件。

拉鎖式層內(nèi)劈裂層間重組相變

傳統(tǒng)理論指出，范德華半導(dǎo)體材料的相變主要通過層內(nèi)滑移或扭轉(zhuǎn)形變機制來實現(xiàn)，且原子重組主要發(fā)生在每個獨立的共價鍵層內(nèi)。在實際研究中，精確捕捉范德華半導(dǎo)體材料在原子尺度上的相變動力學(xué)過程及其伴隨的原子重排機制面臨著嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，主要原因在于相變過程的快速性和極端空間高分辨率的要求。構(gòu)筑原位微納器件，在多場刺激下原子尺度解析器件使得這一研究成為了可能。

基于范德瓦爾斯半導(dǎo)體構(gòu)筑的原位微納器件，多物理場刺激下解析相變示意圖

研究團(tuán)隊選擇了鐵電二維層狀I(lǐng)n2Se3作為研究對象，利用外部電壓（或電流）外場調(diào)控，通過可控電流驅(qū)動相變的方法，結(jié)合原位球差掃描透射電子顯微鏡技術(shù)，揭示了二維層狀I(lǐng)n2Se3材料從半導(dǎo)體相（2H-α相）到半金屬相（2H-β相）的層間相變機制。觀察到了電壓誘導(dǎo)下的相變起始于材料的局部缺陷區(qū)域，隨后逐漸蔓延至整個材料，此過程中伴隨著導(dǎo)電性的顯著變化。首次揭示了In2Se3相變材料的2H-α到2H-β相變先后經(jīng)歷層內(nèi)劈裂（即層內(nèi)結(jié)構(gòu)的分離）和層間重構(gòu)（即層間結(jié)構(gòu)的重新組合），與以往層內(nèi)原子重排路徑的傳統(tǒng)猜測和認(rèn)識明顯不同。

范德瓦爾斯半導(dǎo)體In2Se3由2H-α到2H-β相變過程解析

不僅如此，研究工作進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)相變的傳播方向可由電流方向調(diào)控，針對微觀原位器件作了精細(xì)的溫度解析，發(fā)現(xiàn)了異質(zhì)結(jié)界面存在顯著的珀耳帖效應(yīng)（Peltier effect）。密度泛函理論（DFT）計算揭示了“能量級聯(lián)機制”驅(qū)動了其層內(nèi)分裂與層間重構(gòu)相變過程，其中的化學(xué)鍵斷裂與形成是造成能量變化的主要來源。特別是，范德華間隙區(qū)域內(nèi)的結(jié)構(gòu)促進(jìn)了共價層中化學(xué)鍵的斷裂，顯著地降低了相變所需的激活能，為相變發(fā)生提供了有利條件。這一發(fā)現(xiàn)揭示了范德華材料相變的新機制，為該類材料在低能耗相變存儲器或類神經(jīng)元等新興器件中的研究和應(yīng)用開辟了新的途徑。