近日，冰球突破宇航学院洪家旺教授、王学云副教授团队报道了单原子层厚度的二维范德瓦尔斯CuInP₂S₆铁电材料面外强压电性效应以及增强的电流自整流特性，相关成果以“Strong Piezoelectricity and Improved Rectifier Properties in Mono- and Multilayered CuInP₂S₆”为题，发表于国际顶级学术期刊《冰球突破官网》。

二维压电材料在柔性自供能电子开关、电子皮肤和传感器等领域具有广阔的应用前景。尤其是近年来在 h -BN、C₃N₄和过渡金属二硫族化合物（2H-MX₂，M=""W，Mo；X=S，Se，Te）等二维单层材料中发现了压电效应，在领域内引起了广泛关注。然而，大部分单层压电材料中的压电效应仅限于面内方向，面外方向压电效应非常微弱且电流整流比较差，限制了二维薄层材料在垂直结构器件中的实际应用。因此，探索在面外方向上具有强压电效应和整流性质的单层和薄层二维材料是该领域当前的研究前沿。

我校宇航学院洪家旺、王学云教授团队基于在范德瓦尔斯铁电体CuInP₂S₆体系前期研究基础上（Nature Communications, 2022, 13: 574；Small, 2020, 16: 1904529），进一步报道了首次成功剥离制备出单原子层厚度的CuInP₂S₆铁电材料，并发现其在面外方向上的强压电性，远高于现有单层压电材料 (图1)。

图1. 单层、双层和三层CIPS的有效压电系数 d ₃₃^eff以及其他二维压电材料的理论/实验的压电系数汇总图。(A和B) 使用1 V的驱动电压和2.8 N/m硬度的悬臂测量得到的形貌和PFM振幅图像。沿着黑线的高度剖面表明了单层、双层和三层CIPS的厚度。比例尺为1 μm。(C) 在同一区域中随着逐渐增加驱动电压测量得到的压电响应。(D) 通过在图1A中逐渐增加驱动电压测量得到的压电响应斜率计算得到的有效压电系数 d ₃₃^eff。(E) 二维压电材料的压电系数总结图。

在此基础上，通过纳米探针施加应变的同时，合理引入应变梯度产生挠曲电场调控单层和多层二维材料的隧穿势垒高度和隧穿厚度，有效提升单层和多层CuInP₂S₆材料的电流整流性质（图2和图3）。这些研究发现表明单层和多层CuInP₂S₆材料在垂直阵列器件结构的传感、类脑计算等方面具有潜在的应用价值。

图2. 针尖力调制三层、双层和单层CIPS垂直结的电流整流效应。(A至C) 分别为三层、双层和单层CIPS在逐渐增大的针尖力下的电流-电压（I-V）曲线。正负电压端的电流比值用于描述电流整流比。(D至F) 分别为随着针尖力增加，三层、双层和单层CIPS的电流整流比结果。

图3. 针尖力增强CIPS电流整流效应的定量分析。(A至C) 不同针尖力下典型的I-V曲线及使用梯形和三角形隧穿势垒模型进行拟合的结果。(D) 不同针尖力下上下界面隧穿势垒的变化。插图为隧穿势垒的示意图。φ₁和φ₂分别表示Pt/Ir针尖-样品界面和样品-Au衬底界面的隧穿势垒。(E) 针尖力为18、72和125 nN时隧穿厚度 d _T的变化。插图为势垒变化的示意图。(F和G) 分别为针尖力为144 nN时计算得到的压电场和挠曲电场（E_z-piezo和E_z-flexo）。(H) 根据压电/挠曲电场计算得到的针尖-样品接触处的表面电势。

冰球突破宇航学院力学系博士后江兴安、硕士生张香平，北京大学物理系博士生牛锐锐为该论文的共同第一作者，宇航学院力学系洪家旺教授、王学云副教授与北京大学物理系路建明教授为本论文通讯作者。冰球突破前沿交叉科学研究院陈亚彬教授、博士生杜国帅对该研究工作给予了重要帮助。该研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划青年项目、北京市自然科学基金重点项目的支持。

全文链接：http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202213561