铁电体的本质特征是具有自发极化，且该自发极化可在电场作用下翻转。这种独特的特征使铁电体在随机存取存储器、场效应晶体管等领域具有很高的潜在应用前景。当今电子器件小型化的需求使薄膜铁电器件应运而生，由此铁电的低维特性引起研究人员关注。然而，传统钙钛矿型铁电体（如钛酸钡等）随厚度减薄，自发极化强度显著降低，限制了其在薄膜铁电器件中的应用。

二维铁电体为铁电的低维特性开辟了新的途径，有望解决传统铁电体在薄膜器件应用中受限的问题。CuInP₂S₆，α-In₂Se₃等二维材料均被证实可在纳米尺度的厚度维持铁电性。另一方面，在二维半导体场效应晶体管中，迁移率是衡量晶体管性能的重要指标之一。迁移率越高，载流子通过器件所需的时间越短，代表由晶体管构成的集成电路运行速度越快。因此，铁电性和高迁移率的同时存在对集成铁电器件的发展具有不可估量的作用。

近日，西湖大学林效、郑小睿和李文彬研究团队在高迁移率的二维半导体Bi₂O₂Se (BOS)薄膜中观察到了应变诱导的铁电相变（图1）。该相变十分少见，目前只在少数量子顺电材料中被发现。研究团队利用压电力显微镜（PFM）对BOS薄膜施加应力并同时进行测量（图2）。结果表明，当应力大于临界值时，振幅信号出现蝴蝶曲线，相位信号出现180°滞回， 类似典型的铁电响应信号。作为对比，研究人员还在量子顺电体钛酸锶（STO）中观测到了类似现象，但是普通绝缘体二氧化硅薄膜并未出现此现象。在排除外部因素可能导致的假信号之后，该现象被归因于应变诱导的铁电相变。

图1. BOS薄膜的晶格结构。在探针施加应变区域BOS晶格发生变形，变为非中心对称结构（B），而未施加应变区域依然是中心对称结构（A）。

图2. 探针施加应力不同时，(a) BOS、(b) STO和 (c) SiO₂样品的PFM测量，包括振幅和相位信号。

图3. (a) SHG测量装置示意图，(b) 在常压和单轴拉伸应变条件下的非极化SHG信号。入射波长为1064 nm。理论模拟在针尖施加800 nN力时 (c) zx平面内的径向应变分布图和 (d) 铁电电场分布图。基于BOS薄膜的忆阻性能检测，(e) 极化后器件在低阻区和高阻区的IV曲线，插图由上到下分别为测量时所施加的电压波形和半对数坐标系下的IV曲线，(f) 不同偏压下的电流回滞曲线。

为进一步证实铁电相变，研究人员还对BOS进行了光学二次谐波（SHG）测量。不施加应力时，BOS样品未显示SHG信号，但是经过单轴拉伸后，样品出现显著的SHG增强信号（图3a和b），表明体系发生空间反演对称破缺。SHG和PFM数据及应变下信号的演变过程为铁电相变提供了确凿的证据。不仅如此，研究人员进一步利用理论模拟与第一性原理计算，解释了铁电相变机制，与实验结果相符（图3c和d）。最后，研究团队还展示了基于BOS薄膜的铁电忆阻器件，其开关比高达10⁶，比已报导的铁电忆阻器高数个数量级（图3e和f）。

这项工作在高性能半导体上实现了应变诱导铁电相变，不仅验证了应变工程对二维材料铁电相变不可忽视的重要作用，并且体现了铁电和高迁移率半导体的结合，将BOS的功能拓展到更为广泛的领域。研究成果已发表于国际期刊《先进材料》(Advanced Materials)，Adv. Mater. 2023, 2300450，DOI: 10.1002/adma.202300450。

西湖大学工学院郑小睿课题组博士生吴梦奇、理学院林效课题组博士生娄哲丰、苏州科技大学戴称民博士为本文共同第一作者，西湖大学理学院林效、工学院郑小睿、李文彬为共同通讯作者。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adma.202300450