范德瓦爾斯（vdW，Van der Waals）鐵電材料，因其在下一代納米電子學中的潛在應用而受到重視。二維（2D）IV 族單硫族化合物則因其在室溫下的強烈面內極化，可以一直延展到單層極限，故成為備受關注的候選材料。
然而，它們的極化與晶格應變和堆疊順序強烈耦合，以至於會影響其電子性質。之前，人們在同一個樣品上只能選擇研究平面內的疇結構或垂直方向的堆疊順序。由於表征方法的限制不能對其進行同時研究。
在近期一項研究中，美國萊斯大學團隊通過一種新的表征技術，使用四維掃描透射顯微鏡（4D-STEM）揭示了二維范德瓦爾斯鐵電材料硒化錫的鐵電和鐵彈性的疇結構。
研究中，他們利用四維掃描透射電子顯微鏡（4D-STEM，four-dimensional scanning transmission electron microscopy），同時探測了范德瓦爾斯硒化錫中平面內的應變和垂直方向的堆疊順序。
（來源：Nature Communications）
在傳統電鏡方法中，電子束掃過樣品之後，在一個掃描點只能記錄一個強度信號。而 4D-STEM 是一種最近幾年剛剛發展出的表征方法。
4D-STEM 應用了一個新的探測器（EMPAD，electron microscope pixel array detector），可以在每一個掃描位置記錄一張完整的衍射圖片。
通過此，課題組利用數據挖掘的方法從中提取了硒化錫樣品獨特的結構信息。具體而言，他們觀察到高達 4% 大範圍晶格應變。在傳統鐵電材料中，這樣大的應變會產生晶格缺陷，從而影響性能。
但是在硒化錫之中，由於二維范德瓦爾斯的獨特性質，應變在大約 50 納米的範圍內呈梯度遞減，以補償領域邊界處的晶格不匹配，從而減緩缺陷的發生。
此外，他們發現通過范德瓦爾斯力穩定的不尋常的鐵電-反鐵電領域邊界，可能會導致各向異性的非線性光學響應。
總的來說藉助這項研究，人們可以全面了解影響范德瓦爾斯硒化錫領域性質的面內和垂直結構。同時，這項成果也能為范德瓦爾斯鐵電材料領域的相關工程奠定基礎。
如今在電子器件領域尤其是鐵電領域，大家都追求把器件做得更薄更小，但是傳統的鐵電器件如果很薄的話，材料內的極化就會衰減性能變差。
而本次研究的二維范德瓦爾斯硒化錫即使很薄的時候，仍然有很大的極性。同時由於它是半導體，未來可以在電子器件領域有的潛在應用。研究中，該團隊也詳細表征出了它的疇結構，旨在助力於相關器件的製備和應用。
圖 | 從左到右：韓亦沫和石儲僑（來源：石儲僑）
日前，相關論文以《二維范德華鐵電體中的域相關應變和堆積》（Domain-dependent strain and stacking in two-dimensional van der Waals ferroelectrics）為題發在 Nature Communications，萊斯大學博士生石儲僑是第一作者，萊斯大學教授韓亦沫擔任通訊作者。
圖 | 相關論文（來源：Nature Communications）
石儲僑表示：「研究伊始，我們的合作者 MIT 的 Jing Kong 教授合成了這個材料並送給我們表征。當時由於疫情和簽證的原因我還沒到美國，是我的導師韓亦沫教授首先採集了一些數據發給我。」
然後，石儲僑做了數據處理，他首先提取出來平面內的疇結構，包括應變和晶格旋轉。
之後，他們聯繫到美國賓夕法尼亞州立大學帕克分校 Longqing Chen 教授和美國德克薩斯大學阿靈頓分校 Ye Cao 教授，後者使用相場的方法模擬了疇結構的能量。
後來通過閱讀文獻，石儲僑等人發現垂直方向的堆疊方式也很重要，但是此前極少有人研究。
通過一些電子衍射的模擬，其發現可以通過一個衍射點的強度來判斷堆疊方式，於是石儲僑和同事開始有定量地模擬不同的堆疊方式，藉此計算了衍射強度，並和實驗數據進行對比，從而發現了獨特的鐵電-反鐵電的疇壁結構。
不過，由於這是一個不尋常的結構，為了確認它是可以穩定存在的，石儲僑等人又和美國德克薩斯農工大學的 Xiaofeng Qian 教授合作。
「他們幫忙做了密度泛函理論計算，確認了這是一個穩定的結構。得到所有結果之後我們開始撰寫論文，期間萊斯大學 Shiming Lei 教授和我們做了很多有幫助的討論，幫助我們更好的梳理了論文結構。」石儲僑說。
2022 年，石儲僑把本次研究的初步結果做成海報，在一個會議上（M&M 2022）展示，不少與會觀眾都對這個材料漂亮的疇結構產生了興趣，他也藉此拿到上述會議的最佳海報獎項，這加深了他和團隊對於本次研究的信心。
下一步，他們計劃在本次材料不同的疇上加應力或電壓，以原位的方式觀察疇結構的變化。
另據悉，石儲僑本科就讀於浙江大學，大二暑假加入科研課題組並開始對電子顯微學產生興趣。大三之後，石儲僑通過浙江大學和美國伊利諾州香檳分校的 3+2 交流項目，來到伊利諾州香檳分校讀碩。
讀碩期間，他開始嘗試使用深度學習的方法處理電鏡圖片。後來，在碩士階段的導師的推薦之下，他來到萊斯大學材料科學與納米工程學院讀博。
其表示：「4D-STEM 是一個非常新的技術，有很多方向可以探索。同時，由於採集的數據集相比傳統方法數據量大了不少，因此可以使用機器學習等方法來處理大數據，這也和我之前的技能比較契合。」
參考資料：
1.Shi, C., Mao, N., Zhang, K.et al. Domain-dependent strain and stacking in two-dimensional van der Waals ferroelectrics. Nat Commun 14, 7168 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-42947-3