范德瓦尔斯晶体中弛豫铁电性的相位工程

为何微小晶体可能改变未来电子学

如今的智能手机和计算机依赖能够翻转微小内部电开关以存储和处理信息的材料。但随着器件尺寸缩小，许多这类“铁电”材料在变得极薄时性能会大幅下降。本研究展示了一种绕过这一问题的方法：通过精确重塑层状晶体的内部结构，使其在极小尺寸下也能表现出一种柔性、可调的铁电行为——称为弛豫子铁电性。该工作指向了由超薄晶体构建的新型、节能的存储与类脑计算元件的可能性。

像调音台一样调节晶体

研究人员将注意力集中在一类被称为范德瓦尔斯材料的二维晶体上，这类材料天然形成可堆叠的原子层。所用材料CuInP2(S1−xSex)6允许他们逐步用体积稍大的硒原子替换硫原子而不破坏整体结构。通过改变加入的硒含量，他们可以将晶体在不同的内部排列（或“相位”）之间调节。在低硒含量时，材料处于单一有序相，具有强且排列良好的电偶极——典型的铁电行为。然而在恰当的配比下，单斜相和三方相两相共存，电性排列变得零碎且局部无序，这正是弛豫铁电体的特征。继续增加硒含量会使材料更像弱极性或无极性的绝缘体，即超顺电或顺电状态。

在晶体中创造微小极化岛

为了理解内部发生的情况，团队使用了一系列先进的显微和散射技术。X射线衍射和电子衍射表明，在某一硒含量附近，晶体不再保持单一均匀结构。相较更大的硒原子引入的晶格应变处出现位错——微小的线状缺陷。在这些缺陷周围，单斜相与三方相交错排列形成纳米尺度的超晶格。高分辨率电子显微镜显示这些混合区域只有几纳米到数十纳米宽。对破缺对称性敏感的光学测量证实，材料仍保有局部极化，但现在集中在许多小而弱的斑块中，而不是大型均匀畴。实际上，晶体变成了嵌入在较无序背景中的密集极性纳米区景观。

从刚性开关到温和可调的响应

电学测试展示了这种纳米结构如何改变材料对施加电压的响应。在纯净的单相晶体中，极化在两个态之间急剧切换，产生典型的强滞后回线。随着硒含量增加并出现两相共存，剩余极化下降而最大可能极化仍相对较高，开关回线变窄且滞后减小——这是弛豫铁电体的特征。在更高硒含量下，回线几乎线性，表明接近超顺电态。温度相关测量进一步显示介电常数的峰值随测量频率而展宽和位移，定量拟合表明随硒增加材料从常规铁电逐步演化为强弛豫行为。理论计算支持这些观测，表明三方相尽管极化较弱，但其开关能垒低于单斜相，使得在相混合时极化更易重新定向。

把柔软晶体变成智能存储元件

随后，团队把混相晶体剥离成薄片，并构建了简单的两端子器件——忆阻器，通过将薄片夹在金属电极之间制成。在这些器件中，极化的改变会改变电阻，可用于存储信息。与传统的铁电版本相比，具有大量纳米畴的弛豫晶体有两大优势：它支持更多的中间电阻级别，且切换所需电压更低。当研究者施加一系列电压脉冲时，器件电导以小而近乎连续的步骤增加，模拟了生物突触中连接强度的逐步增强。这种模拟、多级的响应正是能耗更低的类脑（脑启发）计算所需的特性。

这对未来技术意味着什么

通过在超薄范德瓦尔斯材料中精心混合晶体相，本工作将刚性、二元的铁电体转变为仍能在极小厚度下工作的柔性、可调弛豫体。关键在于工程化的结构相共存及缺陷周围形成的极性纳米区，它们平坦化了开关的能量景观，使得可进行多次温和、低压的电阻变化。对非专业读者而言，结论是我们现在可以设计出原子级薄的晶体，其内部电学行为不再只是开或关，而是丰富可调的。这为制造更紧凑、低功耗且行为更像可适应、可学习网络的存储与计算器件开辟了道路。

引用: Yang, T., Ma, Y., Zheng, D. et al. Phase engineering of relaxor ferroelectricity in van der Waals crystal. Nat Commun 17, 2546 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69272-9

关键词: 弛豫铁电体, 范德瓦尔斯材料, 相位工程, 忆阻器器件, 二维晶体