范德华层状铁电材料因其原子级平整的界面、强面内共价键与弱层间范德华作用，为在极限厚度下实现可控的自发极化及其拓扑构型提供了理想的物理平台。这类材料所展现出的铁电、压电、挠曲电等多重耦合效应，使其在下一代高密度非易失性存储器、低功耗逻辑器件、神经形态计算与拓扑电子学等领域展现出重要的应用潜力。实现对其极化状态（包括极化强度、方向及空间构型）的稳定、精确且可集成的调控，是构建功能性纳米电子器件的关键科学问题之一。
在众多范德华铁电体中，CuInP2S6（CIPS）因其独特的“多势阱”极化特性而受到广泛研究。该材料中的铜离子（Cu⁺）在层间存在两个能量相近的稳定位置：低极化（LP）态（极化强度约4 μC/cm²）与高极化（HP）态（极化强度约10 μC/cm²）。这两种极化态之间的微小能量差使其对外场敏感，可实现极化态转换、离子迁移和拓扑极性结构等丰富的行为，是构建模拟神经突触可塑性的铁电-离子器件的候选材料之一。然而，在室温常压下，CIPS稳定处于LP态，抑制了丰富的极化状态和拓扑结构的出现。如何在常规条件下稳定HP态并实现LP/HP态的共存，进而调控由此衍生的新奇物态（如拓扑极性织构），是深入探索其物性与器件潜力的重要课题。目前，常见的性能调控手段多依赖于外部物理场（如高压、异质结）等，在简易性与工艺兼容性方面面临挑战。因此，发展一种简易稳定的方法，实现对HP态的稳定，具有明确的科学意义和应用价值。
近日，中山大学物理学院、广东省磁电物性分析与器件重点实验室刘新智副教授课题组提出利用离子半径略小的锂离子（Li⁺）对CIPS中的铜位进行掺杂，旨在通过引入微小的晶格应变与化学修饰，从原子尺度调控Cu⁺的局域环境与层间耦合，实现稳定高极化态的目的。通过化学气相输运法，课题组成功制备了系列高质量Cu₁₋ₓLiₓInP₂S₆（x = 0, 0.05, 0.1）单晶样品。结构表征与物性测量系统揭示了Li掺杂带来的显著效应（见图1）。铁电居里温度（Tc）得到有效提升，从本征样品的315 K升高至x=0.1掺杂样品的327K。压电力显微镜（PFM）与扫描透射电子显微镜（STEM）的结果证实了LP态与HP态在掺杂样品中的稳定共存。DFT计算表明微观物理机制主要源于Li⁺取代引起的层间间距收缩，该收缩增强了跨范德华间隙的Cu-S键合作用，使HP态得以稳定。
图1 Li掺杂CIPS的结构与铁电特性。(a) x=0.1掺杂样品的变温拉曼谱；(b-c) x=0, 0.1样品的变温-频率介电谱；(d)不同掺杂浓度样品在特定频率下介电温谱；(e) Li掺杂CIPS的组分-温度相图；(f) x=0, 0.1样品不同温度下的离子电导频谱；(g)阿伦尼乌斯拟合提取不同组分的离子电导迁移势垒。
LP与HP态在纳米尺度的相分离与共存，为拓扑极性织构的产生提供了条件。利用矢量分辨的PFM技术，课题组在Li掺杂的CIPS样品中，观测到了由化学掺杂诱导产生的极性泡与迷宫畴结构（见图2）。这些具有非平凡拓扑特征的织构与HP/LP相边界处存在的内建应变梯度与极化梯度密切相关。Li掺杂引入的组分涨落与纳米尺度不均匀性，为这些梯度的形成提供了基础。研究还表明，通过调节Li掺杂浓度，可以对这些拓扑织构的密度与尺寸进行调控，展现了化学组分对材料微观拓扑相的调制作用。
图2 锂掺杂CIPS中极化织构的矢量压电力显微镜表征。(a-c)分别为掺杂浓度x=0.05的样品在不同探针-样品取向夹角下的面外及面内压电振幅和相位；(d-e)样品不同尺度下的TEM图像；(f)基于实验数据重构的面内与面外极化矢量分布。
在观察到极性拓扑结构的基础上，课题组进一步探讨力学加载等外场对拓扑结构的影响。为研究该体系中极化序与力学变形的耦合，课题组研究了具有微观表面褶皱的Li掺杂CIPS薄片，发现了一种增强型的挠曲电效应（见图3a）。在本征CIPS中，应变梯度主要诱导LP态的极化方向翻转。而在Li掺杂样品中，应变梯度可进一步驱动HP态向LP态的转变，并伴随明显的极化强度降低（从~10 μC/cm²降至~4 μC/cm²），这增强了材料的挠曲电响应。同时，在低弯曲区域，观测到迷宫畴向极性泡的转化，这表明利用纯机械手段应变梯度对产生拓扑极性织构的促进作用。然而，在高的应变梯度下，HP态和极性拓扑结构都被抑制，系统退化到稳定的LP态，这个研究揭示了力学手段在调控极化态的产生和控制方面的重要作用。
图3 Li掺杂CIPS的挠曲电效应及PFM表征。(a) 挠曲电诱导的极化切换效应示意图；其中平坦部分对应高极化HP态，弯曲部分对应低极化LP态；(b-d) x=0.05样品S1的原子力显微镜形貌，PFM相位图，面外PFM振幅分布图；(e) (d)中黄色与粉色框所示区域的压电响应统计直方图；(f-j) x=0.05样品S2的形貌、面外PFM振幅、面外PFM相位、面内PFM振幅及面内PFM相位图。
本项研究工作表明，低浓度的选择性化学掺杂是一种可用于优化二维范德华铁电材料极性特征和形态的有效策略。Li掺杂的研究结果，揭示了通过调控层间耦合强度这一内禀参量，能够同步影响材料的铁电转变温度、极化构型、离子迁移势垒及拓扑极化织构。该研究有助于深化对二维铁电体中极化、应变与拓扑相互作用的理解，也为基于二维铁电材料的新型功能器件的开发提供了材料设计思路。
该成果以“Chemical Doping Engineering of Polarization and Topological Textures in van der Waals Ferroelectric CuInP₂S₆”为题发表于期刊《Advanced Science》。该工作由中山大学独立完成，物理学院、本实验室博士研究生高蕾为论文第一作者，刘新智副教授和郑跃教授为论文的通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金、广东省磁电物性分析与器件重点实验室、广东省磁电物性基础学科研究中心（物理学）的支持。
