CIF助力客户研究｜电场调控离子迁移，恢复二维铁电 CuInP₂S₆抗机械疲劳性能，成果荣登《Small》！

 近日，中国科学技术大学张忠教授、汪国睿教授与西北工业大学周重见教授团队在期刊《Small》发表重要研究成果，揭示二维铁电材料CuInP₂S₆（CIPS） 优异抗机械疲劳性能，并实现电场调控下的性能可逆恢复。

   该研究在图形化硅基底制备、样品表面清洁与活化关键环节，采用CIF公司CPC‑G等离子清洗系统完成核心工艺。

研究背景：传统铁电材料的 “疲劳痛点”

本研究系统探究了二维范德华铁电材料CuInP₂S₆（CIPS）的动态机械疲劳行为，发现其在接近7GPa的高应力下可承受超 10⁷次循环加载，抗疲劳性能显著优于现有铁电材料；研究证实，材料疲劳源于循环应力引发的挠曲电场驱动Cu⁺离子迁移与局域聚集，进而形成表面凸起并导致晶格畸变，而这一损伤过程可通过外加电场全逆转，使聚集的Cu⁺离子重新分布、晶体完整性与抗疲劳性能得以恢复，将材料服役寿命提升近一个数量级，为设计耐用、自修复、可重构的二维铁电器件提供了全新原理与技术路径。

   图1 CIPS在循环加载下的机械性能。a) 基于原子力显微镜（AFM）的疲劳测试装置示意图。b) 探针振幅和挠度的变化，不断增大的凸起结构对应于损伤累积。c) 杨氏模量与凸起结构尺寸的函数关系。d) CIPS在不同应力条件下的疲劳寿命，AFM图像分别显示了静态加载和动态加载下的不同失效模式。

  图2凸起结构的表征。a) 含有凸起结构的CIPS的EDS能谱图。b) 凸起结构的形貌图，c) 静电力显微镜（EFM）图，d) 开尔文探针力显微镜（SKPM）图。e) 电导性能，以及f) 在b)中标注的A区和B区CIPS的拉曼光谱。

  图3展示了循环加载下 CuInP₂S₆（CIPS）内部的离子迁移动力学。循环载荷作用下，AFM针尖下方会形成明显的Cu⁺离子聚集区域；弯曲的CIPS纳米片内部产生应变梯度与挠曲电场，为离子迁移提供驱动力；不同应力下的电流–电压曲线表明，离子重分布会显著改变局域导电特性。分子动力学模拟直观呈现了循环纳米压痕下材料的动态响应，针尖反馈力随时间逐渐下降，反映离子迁移导致的结构软化。针尖下方核心区域的 Cu⁺密度随加载时间持续升高，Cu⁺的面内与面外均方位移（MSD）远大于In、P、S原子，扩散系数差异显著，直接证实Cu⁺具有高的迁移活性，而骨架原子基本保持稳定。

  图4 CIPS疲劳的机电控制。a) 在悬浮CIPS薄膜上对Cu⁺ 离子进行可编程写入和擦除，展示了通过电场调控实现的可逆离子聚集。b) 疲劳调控路径示意图：循环应力使Cu⁺ 离子持续聚集直至最终失效（路径1）；电场使离子团簇结构分散并恢复抗疲劳性能，从而延长寿命（路径2）；反复的写入-擦除循环可实现多次恢复过程（路径3）。c) 机械加载诱导的离子聚集以及由外加电场驱动的疲劳性能恢复过程示意图。

图5 不同压电材料疲劳寿命的比较。