理大二维铁电体合成及结构研究取得突破 推动微电子、人工智能及量子信息领域技术发展
铁电体具自发极化特性，可通过外加电场切换极化方向，一直广泛应用于晶体管、内存和神经形态设备等。二维铁电体更可实现纳米级生产，用于制造超薄电子产品。香港理工大学（理大）应用物理学系副教授赵炯教授带领的研究团队就二维范德华（van der Waals）材料的结构及潜力进行了多项研究，成功研发出可大规模合成二维铁电材料的方法，有望推动微电子、人工智能及量子信息领域的技术发展，从而促进高密度存储设备、能量转换系统、传感技术及催化技术等各种应用的开发。
与传统材料相比，二维铁电体拥有多项优势，包括能展现急速的载流子流动，令数据传输、存储及指令周期更高；材料尺寸亦可显著缩小，大幅降低能耗；且材料极为纤薄，透明度与柔韧度均非常出色，十分适用于制作需兼具这两种特性的电子设备。其中，二维硒化铟（In2Se3）的二维五重原子层中同时存在顺电性、铁电性、反铁电性等多种物相，应用潜力极大。然而，二维硒化铟的各个物相稳定性不明确，具备所需物相的二维硒化铟薄膜亦欠缺大面积合成方法。
研究团队运用透射电子显微镜（TEM）技术，直接在原子层面上观测及分析材料的铁电畴、畴壁及其他关键特征，发现通过化学气相沉积技术制造出二维硒化铟薄膜时，适当地调节作为前体的硒化铟原料中硒和铟的比例，再把制出的薄膜转移到柔软或不平整的基底上以引发物相转变，就能在过程中分别制造出三种纯相的二维硒化铟薄膜，实现前所未有的相控合成及精确结构控制。研究成果已于《Nature Nanotechnology》期刊上刊登。
同时，团队亦专注于二维范德华材料的开发及潜力探索。他们深入研究了金属单硫属化物（即金属与硫、硒或碲组成的化合物），包括硒化铟，并利用TEM技术识别出这种化合物中普遍存在的塑性变型模式，令二维金属单硫属化物材料能拥有超高的可塑性。此发现展现了生产高效能无机塑料半导体的庞大潜力，并大大推动柔性电子材料、半导体先进积层制造及固态润滑剂的发展。研究亦已于《Nature Materials》期刊上刊登。
团队最近更利用先进的四维扫描透射电子显微镜（4D-STEM），揭示了一类存在于拥有扭曲双层结构的二维材料中的极性涡旋。团队发现不同的扭曲角度会产生不同的涡旋模式及极性结构，并有可能藉由外部电场或层间位移来调控涡旋模式及极性区域分布，为研究扭曲二维双层极性结构的复杂反应提供了宝贵观点，有助往后在原子尺度上调整浮现的量子特性，制造出性能优异的二维材料。研究已在《Science》期刊上刊载。
理大材料与器件中心实验室（UMF）辖下的原子透射电子显微镜实验室（AEML）是促成上述多项研究突破的关键，包括通过原子分辨率观测，直接揭示了材料合成及应用的重要机制。以上研究更获得理大应用物理学系纳米材料讲座教授兼系主任刘树平教授、理大应用物理学系助理教授杨明教授及香港城市大学化学系副教授李淑惠教授的研究团队提供协助与支持。
赵炯教授表示：「这些科学发现将为微电子和集成电路带来崭新及具影响力的转变，并推动开发灵活、耐磨、耐用及高效的电子设备，为各类应用开拓广阔的发展前景，包括可增强新型内存内运算设备的运算能力和速度，并省却当前芯片运算中所需的运算与记忆单元间的数据传输，令社会迈向更高速、更具能源效益且更灵活的科技新时代。」
凭借多项突破性成果，赵教授的研究项目早前获选国家自然科学基金的「优秀青年科学基金项目」，其研究工作亦同时获得研究资助局「协作研究金」及创新科技署「创新及科技基金」等多项资助。
与传统材料相比，二维铁电体拥有多项优势，包括能展现急速的载流子流动，令数据传输、存储及指令周期更高；材料尺寸亦可显著缩小，大幅降低能耗；且材料极为纤薄，透明度与柔韧度均非常出色，十分适用于制作需兼具这两种特性的电子设备。其中，二维硒化铟（In2Se3）的二维五重原子层中同时存在顺电性、铁电性、反铁电性等多种物相，应用潜力极大。然而，二维硒化铟的各个物相稳定性不明确，具备所需物相的二维硒化铟薄膜亦欠缺大面积合成方法。
研究团队运用透射电子显微镜（TEM）技术，直接在原子层面上观测及分析材料的铁电畴、畴壁及其他关键特征，发现通过化学气相沉积技术制造出二维硒化铟薄膜时，适当地调节作为前体的硒化铟原料中硒和铟的比例，再把制出的薄膜转移到柔软或不平整的基底上以引发物相转变，就能在过程中分别制造出三种纯相的二维硒化铟薄膜，实现前所未有的相控合成及精确结构控制。研究成果已于《Nature Nanotechnology》期刊上刊登。
同时，团队亦专注于二维范德华材料的开发及潜力探索。他们深入研究了金属单硫属化物（即金属与硫、硒或碲组成的化合物），包括硒化铟，并利用TEM技术识别出这种化合物中普遍存在的塑性变型模式，令二维金属单硫属化物材料能拥有超高的可塑性。此发现展现了生产高效能无机塑料半导体的庞大潜力，并大大推动柔性电子材料、半导体先进积层制造及固态润滑剂的发展。研究亦已于《Nature Materials》期刊上刊登。
团队最近更利用先进的四维扫描透射电子显微镜（4D-STEM），揭示了一类存在于拥有扭曲双层结构的二维材料中的极性涡旋。团队发现不同的扭曲角度会产生不同的涡旋模式及极性结构，并有可能藉由外部电场或层间位移来调控涡旋模式及极性区域分布，为研究扭曲二维双层极性结构的复杂反应提供了宝贵观点，有助往后在原子尺度上调整浮现的量子特性，制造出性能优异的二维材料。研究已在《Science》期刊上刊载。
理大材料与器件中心实验室（UMF）辖下的原子透射电子显微镜实验室（AEML）是促成上述多项研究突破的关键，包括通过原子分辨率观测，直接揭示了材料合成及应用的重要机制。以上研究更获得理大应用物理学系纳米材料讲座教授兼系主任刘树平教授、理大应用物理学系助理教授杨明教授及香港城市大学化学系副教授李淑惠教授的研究团队提供协助与支持。
赵炯教授表示：「这些科学发现将为微电子和集成电路带来崭新及具影响力的转变，并推动开发灵活、耐磨、耐用及高效的电子设备，为各类应用开拓广阔的发展前景，包括可增强新型内存内运算设备的运算能力和速度，并省却当前芯片运算中所需的运算与记忆单元间的数据传输，令社会迈向更高速、更具能源效益且更灵活的科技新时代。」
凭借多项突破性成果，赵教授的研究项目早前获选国家自然科学基金的「优秀青年科学基金项目」，其研究工作亦同时获得研究资助局「协作研究金」及创新科技署「创新及科技基金」等多项资助。
