传统晶体管小型化进程中面临的“功耗墙”问题难以克服，摩尔定律面临终结，迫切需要寻求器件结构和机理的变革。铁电材料的负电容效应有望克服玻尔兹曼电子分布限制，推动功耗继续降低。然而，由于负电容效应具有瞬态性和不稳定性，探究其背后的铁电畴动力学机制十分困难，导致畴动力学与负电容之间的关联机制仍不明确。 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张溢副教授课题组采用原位透射电子显微镜和脉冲测试技术结合的高时空分辨表征技术(图1)，揭示了单层铁电体和铁电/介电异质结薄膜中的负电容效应与畴动力学的关联机制，为基于铁电畴动力学设计低功耗负电容器件提供了参考。图1 基于高时空分辨表征技术观测负电容效应 研究人员首先研究了单层铁电体和铁电/介电异质结中的铁电畴翻转模式，发现单层铁电材料中的铁电畴翻转具有形核、纵向生长和畴壁运动三个特征阶段(图2)，其中铁电畴的形核与纵向生长对负电容的贡献显著高于畴壁运动。由于界面电荷对铁电畴翻转的辅助作用，铁电/介电异质结构中的铁电畴翻转则表现为快速且均匀的朗道式翻转，并且具有增强的负电容效应(图3)。通过结合宏观脉冲测试结果分析发现，铁电/介电异质结的极化翻转速率比单层铁电体快数十倍，并且负电容效应的强度大、回滞小。基于此，有望开发高速、无回滞的超低功耗负电容器件。图2 单层铁电和铁电/介电异质结薄膜中的铁电畴动力学: (a) 结构示意图；(b、c) 分别为单层铁电和铁电/介电异质结薄膜中铁电畴翻转行为；(d) 单层铁电体中畴翻转诱导的电荷注入示意图；(e) 铁电/介电异质结中界面电荷辅助极化翻转的示意图；(f、g) 外电场作用下能量势垒变化的示意图。图3 铁电/介电异质结负电容效应与畴动力学的宏微观测试结果：(a) 瞬态电压降和积分电荷曲线；(b) 不同时刻的TEM暗场像；(c、d)异质结电容器的极化翻转电流曲线和回滞特性(宏观脉冲测试)；(e) 单层铁电与异质结电容器的极化翻转速率对比。 相关研究成果于2025年6月9日以“Direct Observation of Ferroelectric Domain Switching Dynamics Under Negative Capacitance Conditions via In Situ Transmission Electron Microscope”为题发表在国际知名期刊《ACS Nano》上，并被选为该杂志的封面文章。中山大学为该成果的第一署名单位，物理学院、广东省磁电物性分析与器件重点实验室郑跃教授与张溢副教授为论文通讯作者，博士研究生吴祎玮和阳辉为共同第一作者，湖南科技大学谭丛兵副教授和中山大学陈伟津教授分别为该工作提供了实验和理论方面的支持。该工作在团队发展的高时空分辨原位透射电镜表征系统上完成，前期研究成果发表在国际知名期刊《Nano Letters》上(Nano Lett. 2024, 24, 24:7424-7431)，已申请中国国家发明专利2项(公开号：CN116678903A、CN118569328A)。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和中山大学分析测试中心的大力支持。原文链接： https://doi.org/10.1021/acsnano.5c00289

La3Ni2O7超导电性 高温超导是物理学中最复杂且富有魅力的研究方向之一。在过去近40年的时间里，铜氧化物是唯一转变温度进入液氮温区的超导体，寻找新的高温超导体、探寻高温超导的“共同基因”是破解高温超导机理的重要研究方向。2023年，王猛教授团队和合作者首次在镍氧化物La3Ni2O7单晶中发现压力诱导的转变温度达到80K的超导电性[Nature 621,493(2023)]，研究结果迅速引起了镍氧化物高温超导研究热潮。 高压下的超导电性为阐明超导相及关键物性带来了挑战。单晶样品中压力下的高温超导相结构、丝状超导和体超导等关键性质一度成为学术争论焦点，直流磁场下的迈斯纳效应和超高压力下超导电性的演化实验研究一直缺失。 鉴于此，王猛教授团队利用自主搭建的高压实验研究平台对La3Ni2O7单晶的高压电输运特性进行了系统性测量，研究结果精细刻画了双层镍氧化物独特的接近“直角三角形”的超导相图（图1）。加压过程中，晶体结构也发生了从正交相到四方相的转变，研究结果预示超导电性的出现同时伴随着结构相变。图1. La3Ni2O7的超高压超导相图 研究团队与上海前瞻物质科学研究院曾桥石团队合作，利用超导量子干涉仪首次在直流磁场下测量到了La3Ni2O7的迈斯纳效应，估算出在22GPa时超导体积超过40%，证实了La3Ni2O7单晶的体超导电性（图2b）。图2. La3Ni2O7的直流磁化率迈斯纳效应 本项工作有力证实了双层镍氧化物高温超导体内禀的体超导电性，其独特的“直角三角形”超导相图为La3Ni2O7超导机理研究提供了重要的实验基础。该工作在论文预印本平台公布后即受到理论和实验研究工作者广泛关注，arXiv平台版本已被引近50次。该成果近期以“Identification of Superconductivity in Bilayer Nickelate La3Ni2O7 under High Pressure up to 100 GPa”为题在《国家科学评论》（National Science Review）发表[Natl. Sci. Rev. nwaf220(2025)]。 本项工作由本实验室王猛教授团队和上海前瞻物质科学研究院曾桥石研究员团队合作完成，主要实验工作由中山大学物理学院博士研究生李婧嫄和上海前瞻物质科学研究院彭帝博士完成，中山大学理学院孙华蕾副教授指导了高压实验工作。上海前瞻物质科学研究院院长毛河光院士对本项工作给予了大力支持。中山大学物理学院教师谢涛、陈祥，博士后霍梦五，博士生马培跃、张恒源等人参与了本项研究工作。该研究工作得到了国家自然科学基金和国家重点研发计划支持，广东省、广州市、深圳市科技计划项目支持，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支持，中山大学物理学院公共科研平台支持，同时还得到了上海市极端环境新材料重点实验室、上海市科学技术委员会的支持。原文链接：https://academic.oup.com/nsr/advance-article/doi/10.1093/nsr/nwaf220/8152906

过渡金属二硫化物（TMDCs）因其层状结构、带隙可调及丰富的相变行为，在光电子器件、催化、电化学储能等领域展现出广阔的应用前景。WS₂具有稳定的半导体1H相和导电性能优异的金属1T相，两者在同一材料体系中共存可赋予器件兼具载流与活性功能。然而，1T相在热力学上处于亚稳态，易向1H相转变，导致其在常规条件下难以获得稳定存在，尤其是在单层尺度上实现相共存更具挑战。传统相调控方法，如激光照射、电子束辐照或化学插层，虽能诱导相变，但往往引入不可控缺陷、结构破坏或相界模糊，限制了材料性能的保持与调控的精度。因此，发展一种操作简便、相界清晰、具规模化潜力的合成策略，在单层WS₂中构建高质量的1T/1H异相结构，是实现其在异相功能器件中高效集成与应用的关键科学问题。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罗鑫教授课题组提出一种NaCl辅助的一步CVD策略，在单层WS₂中实现了金属1T相与半导体1H相的面内共存，并探索了前驱体配比对相结构及形貌的影响。结合多尺度表征与第一性原理计算，系统揭示了Na⁺掺杂诱导电子重分布进而稳定1T相的物理机制，为二维材料相工程及异质器件集成提供了新路径。图1. WS₂的部分态密度（PDOS）和1T-WS₂的能带结构。在1H相中，W原子的5d轨道受到D3h对称性晶体场的调控，呈现出明显的能级分裂，从而形成高度非简并的分布。其中，ⅆz2轨道由于其电子云主要分布在面外方向，受周围配体排斥最小，能量最低，并在费米能级以下被完全填充。这种低能级轨道的完全占据提供了电子结构上的稳定性，使得1H相在热力学上更加稳定，易于合成。而1T相具有较高的D3d对称性，其晶体场作用使得ⅆxz与ⅆyz轨道、ⅆxy与ⅆx2-ⅆy2轨道分别发生能级简并，形成较强的面内各向同性特征。这种简并结构虽赋予1T相优异的面内电导性，但也导致其在K点附近的能带结构出现费米面嵌套现象。图2. 1T/1H-WS₂的合成策略、相稳定机制与调控相图。1T-WS₂的三维布里渊区展现出沿 z 方向的能带翘曲特征，即能带在不同动量空间中呈现明显的非平直性，容易引发电子之间的集体行为，如电荷密度波（CDW）的形成，或诱导结构相变，体现出其在晶体结构与电子结构层面的高度不稳定性。在缺乏额外电子调控的条件下，1T相通常倾向于向更稳定的1H相转变，从而限制了其在器件中的应用。Na⁺掺杂通过引入额外电子打破1T相的费米面嵌套结构，并引发轨道重排，有效降低了体系总能量，提升了1T相的相对稳定性。相图进一步揭示了前驱体配比对最终WS₂相结构的影响，其中NaCl/WO₃和S/WO₃的质量比对相变行为起着关键调控作用：当Na⁺相对浓度较高时，1T相更容易被稳定形成；而在富S条件下，则更倾向于生成三角形形貌的WS₂薄膜，表明生长过程受到化学势与界面能协同调控。图3. 1T/1H-WS₂在镀金硅衬底上的形貌、光致发光（PL）强度成像、表面电势差异及电导特性。PL强度成像清晰区分出1T与1H相区域，其中1H相由于其直接带隙结构，表现出较强的PL发射强度；而1T相因其金属性特征，导致PL强度显著减弱，这一空间分布规律为识别异相区域提供了有效手段。开尔文探针力显微术（KPFM）测得两相间的表面电势差约为60 mV，进一步定量揭示了两相在功函数与费米能级位置上的差异，表明1H相具有更高的费米能级，这种表面势能差源于两相电子结构与载流子浓度的本征差异。电流-电压测试进一步验证1T相具有金属性，其I-V曲线呈线性关系，表明其与金属电极之间形成欧姆接触；而1H相作为半导体相，表现出更高的接触电阻，电导率较1T相低两个数量级，体现了两相在电输运行为上的巨大差异。这一组多维度表征结果全面证实了1T/1H异相界面在光学、电学与电子结构方面的显著对比，为基于异相调控的二维电子器件设计提供了关键数据支持。相关研究成果于2025年4月29日以“NaCl-Assisted One-Step CVD for In-Plane 1T/1H Heterophase Homojunctions in Monolayer WS₂”为题发表在国际知名期刊《Nano Letters》上。该工作由中山大学独立完成，物理学院、广东省磁电物性分析与器件重点实验室罗鑫教授为论文通讯作者，2022级硕士研究生李伟源为第一作者，理论计算部分由2023级硕士研究生黄熙提供。上述工作得到了国家自然科学基金、广东省自然科学基金、广东省磁电物性基础学科研究中心、广东省磁电物性分析与器件重点实验室的大力支持。原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.5c00679