摘要
铁电体是指拥有自发的电极化且极化方向能够通过施加外电场的方式来进行翻转的材料。自1921年第一个铁电体——罗息盐被发现后的一个世纪以来，基于贝里相位的现代铁电理论得到了建立，铁电体也在功能性电子学元器件领域得到了广泛的应用，相继诞生了铁电电容器、铁电场效应晶体管和铁电隧道结等现代电子学器件。然而，传统三维氧化物铁电体受制于临界尺寸效应，随着厚度的变薄，其铁电性会被压制。同时，由于体相的特征、强的共价键/离子键相互作用以及缺乏层间滑移机制，传统三维氧化物铁电体还往往表现为“硬”和“脆”的特性。以上这些因素限制了传统三维氧化物铁电体在超薄电子器件以及柔性电子学器件应用中的发展。近年来，以铜铟磷硫(CuInP2S6)为代表的二维层状铁电体的涌现为这一困境打开了新局面。得益于二维范德华层状材料界面饱和的化学环境、单原子层的结构稳定性以及优异的机械性能，二维层状铁电体有望突破传统三维氧化物铁电体在以上应用中的种种限制。近期研究发现，由于二维铁电体具有原子尺度的样品厚度，用电学手段翻转铁电极化时，往往出现漏电流过大，甚至介电击穿等问题，这使得在二维体系中进行电极化的有效操控和铁电畴的可控制备仍具有很大的挑战性，亟需发展电翻转之外的极化调控新手段。有鉴于此，本论文从实验角度出发，基于二维层状材料良好的柔性和超薄特性，利用扫描探针显微镜和光谱学测量等手段，(1)定量地研究了二维CuInP2S6的机械性质，如杨氏模量和断裂强度;(2)在少层CuInP2S6中实现巨大应变梯度(～106m-1)的引入，利用在该梯度应力场下所产生的强挠曲电效应，实现了对铁电极化的机械调控，从而在宏观尺度上人为可控地生成了均一的大面积铁电条纹畴，并结合理论模型研究了内在机理。本研究论文由以下几个部分构成: 在第一章中，我们介绍二维层状铁电体的研究进展，总结了在实验上实现的二维层状铁电体体系及其相关应用，同时引出了本论文的主要研究对象—二维层状铁电体CuInP2S6。其次，我们介绍了二维材料的机械性质，概述了目前实验上对不同二维材料机械性质的研究。最后，我们介绍了铁电体中的挠曲电效应，包括挠曲电效应基本原理以及利用挠曲电效应对铁电体的压电响应、极化方向和光伏效应的调控。 在第二章中，我们介绍本文中涉及到的主要实验设备以及样品的制备方法。我们首先介绍了原子力/压电力显微镜(AFM/PFM)和开尔文探针显微镜(KPFM)基本原理以及它们在测量力-距曲线和表征铁电畴/回线方面的应用，然后介绍了二次谐波(SHG)和拉曼光谱的原理，最后介绍了本文样品的制备方法，包括化学气相传输法、金辅助机械剥离法以及波纹状PDMS衬底的制备。 在第三章中，我们介绍二维CuInP2S6机械性质的研究。实验上，我们详细讨论了如何高效率制备大面积悬空薄层CuInP2S6样品，然后使用基于AFM的纳米压痕法对二维CuInP2S6样品的机械性能进行了测试，定量的给出了其杨氏模量和断裂强度的参数，并和其他二维材料的机械性能进行了对比分析。我们的研究结果有望为基于二维CuInP2S6柔性铁电器件的设计和应用提供指导。 在第四章中，我们介绍二维CuInP2S6中基于挠曲电效应的的大面积条纹畴生成。我们利用衬底工程的方法在薄层CuInP2S6中引入了巨大的应变梯度(～106m-1)，实现了无外加电场条件下对薄层CuInP2S6中铁电极化的机械调控，并利用第一性原理计算结合唯象理论对这一结果进行了分析和解释。我们的研究结果给发展基于范德瓦尔斯铁电体的柔性器件提供了指导，也对二维系统中的铁电畴物理研究提供了基础。 在第五章中，我们总结了本论文的研究成果，并在此基础上展望了二维铁电以及挠曲电领域值得探索的新方向。
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