ファンデルワールス力で強誘電体薄膜特性を制御(Van der Waals Forces Can Play Unexpected Role in Thin Film Properties)

2026-06-08 ノースカロライナ州立大学(NC State)

米国ノースカロライナ州立大学(NCSU)の研究チームは、従来は極めて弱いと考えられていたファンデルワールス力が、薄膜材料では予想以上に大きな機械的変形を引き起こすことを明らかにした。研究では、ナノメートルスケールの薄膜と基板との相互作用を詳細に解析し、ファンデルワールス力によって薄膜が曲がったり、しわを形成したり、形状が変化したりする現象を理論と実験の両面から検証した。その結果、膜厚が極めて薄い場合には、通常無視されるほど小さい分子間力でも材料の力学挙動を支配し得ることが判明した。研究チームは、こうした効果を予測する新たなモデルを構築し、二次元材料やフレキシブル電子デバイス、ナノ構造体の設計に応用できる可能性を示した。今回の成果は、ナノスケール材料の設計において分子間相互作用を積極的に利用できることを示すものであり、将来的には高性能センサー、電子デバイス、先端機能材料の開発につながると期待される。

ファンデルワールス力で強誘電体薄膜特性を制御(Van der Waals Forces Can Play Unexpected Role in Thin Film Properties)

<関連情報>

数層強誘電体スズモノカルコゲナイドにおける厚さ、歪み、およびドメイン構造のヘテロエピタキシャル制御 Heteroepitaxial Control of Thickness, Strain, and Domain Architecture in Few-Layer Ferroelectric Tin Monochalcogenides

Yueyin Wang,Garrett Baucom,Pochun Hsieh,Tao Zhou,Tugba Isik,Haoye Sun,Hana Jones,David Szympruch,Albert Suceava,Reza Ghanbari,Yusen Pei,Guanyue Chen,Rui Liu,Franky So,Dali Sun,Ruijuan Xu,Venkatraman Gopalan,Honggyu Kim,and Yin Liu
ACS Nano  Published: June 3, 2026
DOI:https://doi.org/10.1021/acsnano.6c02795

Abstract

Thin-film epitaxy and epitaxial strain have been widely exploited to tune domain configurations, switching behavior, and ferroic properties in conventional three-dimensional ferroelectric thin films; however, its application to controlling the properties of two-dimensional (2D) ferroelectrics has remained largely unexplored. Here, using SnX (X = Se, S) as a model system, we demonstrate heteroepitaxial control of thickness, strain state, and domain architecture in few-layer ferroelectric SnX via growth on monolayer MoS2 van der Waals (vdW) templates. Compared with conventional growth, MoS2-templated heteroepitaxy promotes epitaxial alignment, yielding ultrathin SnSe films with improved crystalline quality, full areal coverage, and enlarged lateral dimensions. Strong interfacial epitaxial coupling induces pronounced in-plane strain and stabilizes a hierarchical ferroelastic domain architecture, in which long-range 90° stripe domains are further subdivided into nanoscale rotational variants, as revealed by scanning transmission electron microscopy and synchrotron X-ray microscopy. Piezoresponse force microscopy and second-harmonic polarimetry confirm robust in-plane polarization, while ferroelectricity in SnSe is established through polarization-electric field hysteresis and nonvolatile ferroelectric resistive switching with on/off ratios approaching 1000. A nonvolatile, switchable ferroelectric diode effect further evidences direct coupling between polarization and charge transport. Notably, ferroelectric switchability exhibits a strong thickness dependence and is preserved only below ∼10 layers. This vdW heteroepitaxial strategy is further extended to ferroelectric SnS. The seamless heteroepitaxial integration of 2D ferroelectrics with CMOS-compatible, wafer-scale MoS2 templates provides a general and scalable route for strain-enabled structural and ferroelectric engineering in emerging memory and low-power optoelectronic applications.

0703金属材料
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