中大新聞網訊（通訊員謝添）柔性電子學院黃維院士團隊王來源副教授課題組長期聚焦微納光電器件的研究，針對相變半導體，探究其在電子束/激光輻照、離子摻雜、靜電調控等多種外界刺激下的相變行為及其物理性質的轉變，進而構筑高性能多功能新興信息器件。近期團隊與加州大學洛杉磯分校和蘭州大學合作，打破傳統理論，在國際頂級期刊 Nature Materials 上發表題為《Interlayer reconstruction phase transition in van der Waals materials》的研究論文，發現了一種全新的“拉鎖式層內劈裂層間重組”相變機制，有望用于開發低能耗感存算一體神經形態器件。
拉鎖式層內劈裂層間重組相變
傳統理論指出，范德華半導體材料的相變主要通過層內滑移或扭轉形變機制來實現，且原子重組主要發生在每個獨立的共價鍵層內。在實際研究中，精確捕捉范德華半導體材料在原子尺度上的相變動力學過程及其伴隨的原子重排機制面臨著嚴峻挑戰，主要原因在于相變過程的快速性和極端空間高分辨率的要求。構筑原位微納器件，在多場刺激下原子尺度解析器件使得這一研究成為了可能。
基于范德瓦爾斯半導體構筑的原位微納器件，多物理場刺激下解析相變示意圖
研究團隊選擇了鐵電二維層狀In2Se3作為研究對象，利用外部電壓（或電流）外場調控，通過可控電流驅動相變的方法，結合原位球差掃描透射電子顯微鏡技術，揭示了二維層狀In2Se3材料從半導體相（2H-α相）到半金屬相（2H-β相）的層間相變機制。觀察到了電壓誘導下的相變起始于材料的局部缺陷區域，隨后逐漸蔓延至整個材料，此過程中伴隨著導電性的顯著變化。首次揭示了In2Se3相變材料的2H-α到2H-β相變先后經歷層內劈裂（即層內結構的分離）和層間重構（即層間結構的重新組合），與以往層內原子重排路徑的傳統猜測和認識明顯不同。
范德瓦爾斯半導體In2Se3由2H-α到2H-β相變過程解析
不僅如此，研究工作進一步發現相變的傳播方向可由電流方向調控，針對微觀原位器件作了精細的溫度解析，發現了異質結界面存在顯著的珀耳帖效應（Peltier effect）。密度泛函理論（DFT）計算揭示了“能量級聯機制”驅動了其層內分裂與層間重構相變過程，其中的化學鍵斷裂與形成是造成能量變化的主要來源。特別是，范德華間隙區域內的結構促進了共價層中化學鍵的斷裂，顯著地降低了相變所需的激活能，為相變發生提供了有利條件。這一發現揭示了范德華材料相變的新機制，為該類材料在低能耗相變存儲器或類神經元等新興器件中的研究和應用開辟了新的途徑。
