【研究背景】
硒化铟（In₂Se₃）是一种具有重要应用潜力的半导体材料，因其在光电、热电和存储器件等领域的应用受到广泛关注。与传统的半导体材料相比，硒化铟材料在低功耗电子器件、光电子器件以及柔性电子设备中的应用表现出优越的性能。然而，硒化铟材料的固态非晶化问题一直存在挑战，尤其是在没有熔融和淬火步骤的情况下实现固态非晶化。传统的固态非晶化方法通常依赖于离子辐照、高压处理或者机械变形等手段，但电驱动的固态非晶化（SSA）仍然较为罕见。如何通过电场、电流和应力等因素实现能效高的固态非晶化，是当前材料科学领域的一大挑战。
近日，宾夕法尼亚大学Ritesh Agarwal教授课题组以及印度科学学院Pavan Nukala团队在“Nature”期刊上发表了题为“Electrically driven long-range solid-state amorphization in ferroic In2Se3”的最新论文。该团队设计并制备了硒化铟（In₂Se₃）纳米线的铁电β″-相，并通过施加直流偏压而非脉冲电流，实现了能效高的固态长程非晶化。与传统的电驱动非晶化过程不同，该研究利用电场、流过的电流和施加的压电应力之间的复杂耦合作用，成功诱导了层间滑移缺陷和面内极化旋转，导致了非晶相的形成。
本研究通过这种独特的电驱动固态非晶化机制，研究人员不仅发现了电场和电流对材料结构的显著影响，还揭示了铁电顺序与外部电场、电流和内部应力之间的多模耦合机制。实验表明，当电诱导的无序度达到临界值时，纳米尺度的结构崩塌为非晶态，并且这一现象在更大微观尺度上得到了复制，形成了长程非晶化。
该研究显著提高了材料的能效性能，并为低功耗电子和光电子器件的设计提供了新的理论依据和技术路径。通过这种新型的固态非晶化方式，未来在开发低功耗、高性能的电子器件和光电子设备方面有着广阔的应用前景。
【研究亮点】
1）实验首次在硒化铟（In₂Se₃）纳米线的铁电β″-相中实现了电诱导的固态非晶化（SSA），通过施加直流偏压而非脉冲电刺激，发现了不寻常的长程非晶化现象。
2）实验通过施加垂直于极化方向的电场、电流沿范德华层流动以及产生的压电应力，揭示了电场与极化、应力之间复杂的耦合作用，导致了层间滑移缺陷的形成，并促使面内极化旋转，最终引发了局部的非晶化。
3）实验发现，当电诱导的无序度达到临界值时，结构发生挫败并局部崩塌成非晶相。这一现象通过声学跃变在微观尺度上复制，进一步引发长程非晶化。
4）研究表明，电场、电流及内部应力共同作用下，铁电材料的有序-无序转变是通过多模耦合机制实现的，这为低功耗电子和光电子器件的设计提供了新的思路。
【图文解读】
图1：原位合成的β″-In₂Se₃纳米线的透射电子显微镜（TEM）表征。
图2：β″-In₂Se₃纳米线器件在直流电压作用下诱发的非晶化。
图3：β″-In₂Se₃纳米线器件在施加一系列直流电流-电压扫描前后的扫描透射电子显微镜（STEM）分析，显示滑移缺陷的形成。
图4：β″-In₂Se₃纳米线器件的原位偏压动态透射电子显微镜（DFTEM）成像及非晶化现象的观察。
【总结展望】
本文揭示了一种在铁电β″-In₂Se₃纳米线中通过施加直流偏压引发的独特长程固态非晶化（SSA）过程，该过程通过电场、电流、压电应力、声学跃变和焦耳加热等复杂的相互作用实现。β″-In₂Se₃是一个典型的材料系统，其中层状、半导体、铁电和压电等多种材料特性协同作用，导致了这一非常规的非晶化过程。我们相信，对其他半导体铁电材料的类似研究将揭示更多的亚稳态相变，具有设计新型材料和器件的潜力。
原文详情：
Modi, G., Parate, S.K., Kwon, C.et al. Electrically driven long-range solid-state amorphization in ferroic In2Se3. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-08156-8
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