【儀表網 研發(fā)快訊】近日，中國科學院寧波材料技術與工程研究所柔性磁電功能材料與器件團隊聯合寧波東方理工大學和寧波大學在二維滑移鐵電體研究中取得重要突破，利用應變工程為原子層厚度的二維滑移鐵電體裝上“方向盤”，使這種新型二維材料實現了亞納米精度的層間定向滑移，在定向滑移過程中，能夠誘導磁矩并輻射太赫茲波，為太赫茲光源、動態(tài)多鐵以及亞納米機電器件設計提供思路。相關成果發(fā)表于國際物理學術期刊《Physical Review Letters》。
在信息存儲與智能器件的競賽中，“更小、更快、更省電”是三個關鍵問題。由滑移鐵電體制備的器件，憑借其獨特的層間滑移翻轉機制和原子級厚度，展現出超低能耗、超快響應和優(yōu)異耐疲勞特性，被視為下一代非易失存儲的重要候選。
所謂滑移鐵電體，是一類新型二維范德華材料，其原子層能夠通過相對滑動，“對齊(AB)”與“錯開(BA)”兩種堆垛構型，實現垂直方向的極化翻轉，天然對應著信息存儲所需的兩個狀態(tài)。
然而，理想單疇結構的滑移鐵電體，內部存在多條對稱等價的滑移路徑。以雙層氮化硼為例，其六角晶格具有三重旋轉對稱性，具有三條等價滑移路徑，原子層沿哪一條路徑滑動，材料自身說了不算。這意味著，外加電場下原子層可能無法滑移，因此材料層間堆垛和極化狀態(tài)難以精確控制。如何讓原子層在二維原子世界里沿指定方向滑動，是領域的一道難題。
研究團隊以雙層氮化硼材料為范例，利用AI輔助跨尺度模擬計算方法，在超級計算機中搭建起一間“數字實驗室”：先用從量子力學基本方程出發(fā)的第一性原理計算，澄清材料中電子結構及與應變的耦合機制；再借助AI輔助的深度勢能分子動力學模擬，就像架設起一個超高分辨的微觀攝像機，追蹤數百萬個原子在飛秒分辨率上的集體運動軌跡。
在此基礎上，團隊沿單一方向對材料施加單軸應變，打破其原有的三重旋轉對稱性，構建出一種由非本征機制主導的方向鎖定層間滑移。
研究發(fā)現，在外電場下，原子層只能由BA堆垛通過單一路徑滑向AB堆垛，如同駛入一條預設好的“單行道”，實現了層間的定向鎖定滑移與極化翻轉，與此同時，在三條路徑中，通過應變選擇其中一條特定滑移路徑。完成一次極化翻轉僅需約1.7皮秒，比傳統(tǒng)鐵電材料快3至4個數量級。此外，在層間定向滑移過程中，還存在晶格的振蕩，從而誘導動態(tài)磁矩和太赫茲波，能夠為太赫茲光源、動態(tài)多鐵以及亞納米機電器件設計提供新思路。
寧波大學研究員王宏偉為論文第一作者，中國科學院寧波材料所副研究員何日、寧波東方理工大學講席教授李潤偉為論文通訊作者。該研究得到國家自然科學基金(U24A6001、52127803、12574108)、浙江省自然科學基金重大延續(xù)項目(DG26A040001)及“AI+新材料”寧波市基礎研究人才培養(yǎng)基地項目等的資助。
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