研究背景

铁电材料因其独特的自发电极化特性及其在外电场下的可逆性，在电子和光电子设备中具有广泛的应用。随着技术的发展，对铁电材料的尺寸要求越来越小，以适应更高密度的器件集成需求。然而，传统的三维铁电材料在减小到一维尺度时，面临着电极化场和表面重构等问题，限制了其铁电性能的发挥。一维铁电材料因其独特的物理特性，如高表面能和易于形成单畴极化结构，展现出了在非挥发性存储器件、纳米发电机、非线性光学等领域的巨大潜力。

研究内容

近日，上海交通大学张江高等研究院黄富强教授与哈尔滨工业大学李洋教授、西安交通大学缑高阳教授、南方科技大学林君浩教授合作发表了题为Above-Room-Temperature Ferroelectricity and Giant Second Harmonic Generation in 1D vdW NbOI₃的文章。研究团队通过化学气相传输法成功合成了线状NbOI₃单晶材料，并利用冷冻电子显微镜、X射线衍射、拉曼光谱、压电响应力显微镜（PFM）和第一性原理计算等手段，揭示了NbOI₃的准一维结构、铁电行为和光学性质。图1展示了NbOI₃的准一维vdW的晶体结构示意图、球差电镜原子相、偏振拉曼光谱和X射线衍射谱，充分证实了它的一维结构特征。图2为机械剥离后NbOI₃纳米线的铁电性质测试，可以看出具有明显的电滞回线，证实了Nb沿Nb-O链位移产生的一维铁电序。此外，在不同温度下的二次谐波响应（SHG）测试下，NbOI₃在高达450 K下依旧具有二次倍频响应，间接说明其居里转变温度Tc = 450 K。如图3所示，NbOI₃在810 nm波长的激发光下表现出高达1572 pm V⁻¹的巨大SHG极化率，并且在2.06 GPa下NbOI₃纳米线的SHG极化率增强至5582 pm V⁻¹，NbOI₃的SHG极化率远高于其它低维非线性光学材料。图4为高压下的拉曼光谱和X射线衍射谱演化情况，可以看出在压力作用下O原子沿Nb-O原子链移动，导致[NbO₂I₄]八面体的Baur畸变增加，从而引起SHG响应的增强。

该研究不仅发现一类新型的一维vdW铁电材料，而且通过原位高压大幅提升这一材料的非线性光学响应，为开发新型铁电存储器件、非线性光子器件和光电子器件提供了重要的材料基础和理论指导。

图1. 一维 vdW NbOI₃的结构表征。

图2. 一维 vdW NbOI₃的结构表征。

图3. 一维 vdW NbOI₃ 的巨非线性 SHG 响应。

图4. 高压结构表征。

    该论文通讯作者为上海交通大学黄富强教授、哈尔滨工业大学李洋教授、西安交通大学缑高阳教授和南方科技大学林君浩教授，第一作者为上海交通大学方裕强副研究员，哈工大研究生刘跃，中北大学副教授杨牛庄和南方科大王刚博士。

    该工作得到国家自然科学基金、上海市科委和张江高等研究院材料创制中心的大力支持。

链接: https://doi.org/10.1002/adma.202407249