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【研究背景】电诱导的非晶化在材料系统中较为罕见，迄今为止仅在少数材料体系中通过脉冲电流实现，且大多基于熔融-淬火过程。然而，若能避免熔化步骤，直接通过电场实现固态非晶化，则为低功耗器件应用开辟了新的可能性。
在此，宾夕法尼亚大学Ritesh Agarwal教授课题组以及印度科学学院Pavan Nukala团队携手报告了一种能效高且不寻常的固态长程非晶化现象，该现象发生在铟硒（In₂Se₃）纳米线的铁电β″-相中，通过施加直流偏压而非脉冲电刺激来实现。施加的电场垂直于极化方向，电流沿范德华层方向流动，并产生压电应力，这一些因素共同作用，导致了层间滑移缺陷的形成和由面内极化旋转引发的耦合无序。
当电诱导的无序达到临界极限时，结构变得挫败，并局部崩塌成非晶相，且这一现象通过声学跃变在更大的微观尺度上得到复制。作者的工作揭示了铁电顺序与外加电场、电流及内部生成的应力之间的多模耦合机制，这些机制可用于设计新型材料和器件，非常适合于低功耗电子和光电子应用。
表征解读】本文通过一系列先进的表征手段，深入分析了铁电β″-In₂Se₃纳米线在施加直流偏压条件下的长程固态非晶化（SSA）过程，揭示了该过程中电场、电流、压电应力、声学跃变和焦耳加热等因素的复杂相互作用。通过高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）、高角度环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）、原位透射电子显微镜（DFTEM）以及PFM光谱技术等多种微观表征手段，本文揭示了β″-In₂Se₃纳米线在电场驱动下的结构演化及相变过程，从而为深入理解该材料的独特性质和潜在应用提供了新的理论依据。
首先，本文利用HAADF-STEM成像技术，通过高分辨率成像直接观察到β″-In₂Se₃纳米线在施加直流偏压后的微观结构变化。通过布拉格滤波和逆傅里叶变换（FFT），有效增强了位错对比度，揭示了材料中的位错和缺陷分布。此外，通过对硒原子的位移进行映射，揭示了硒原子在施加电场后的微观位移行为，进而推测出材料在电场驱动下的结构变化机制。这一发现表明，β″-In₂Se₃纳米线中不同相的稳定性受到电场的显著影响，为后续研究提供了可靠的微观数据支持。
针对该材料在外电场作用下的独特现象，本文通过原位TEM实验和PFM开关行为分析，进一步探讨了材料的极化开关行为及其在结构演变中的作用。在原位加热和电压偏压实验中，采用了高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）和差分电场透射电子显微镜（DFTEM）技术，实时观察了纳米线在电压偏压下的微观形变过程。根据结果得出，β″-In₂Se₃纳米线在电场作用下发生了从有序到无序的转变，这一转变过程与材料内部的压电应力、焦耳加热效应和电场的相互作用紧密关联。此外，通过PFM光谱测量，研究者还发现纳米线的极化开关行为与材料的压电响应紧密关联，表明该材料在电场作用下的极化反转行为对其非晶化过程起到了关键作用。
通过这些微观机理表征，本文成功揭示了β″-In₂Se₃在外电场驱动下的非晶化现象及其过程中的物理机制。研究表明，电场不仅对材料的相变起到了诱导作用，而且通过调控材料内部的应力场和载流子分布，逐步推动了非晶化过程的发生。基于这一发现，本文提出了通过外电场调控材料相变的新思路，且这一机制为设计新型铁电、压电器件提供了理论依据。
总之，通过多种高精度的表征技术，本文深入分析了β″-In₂Se₃纳米线在外电场作用下的结构演变与相变过程，揭示了电场驱动下的长程固态非晶化机制。通过这一些表征手段，本文不仅丰富了对铁电半导体材料的理解，还为开发基于电场控制的相变材料和器件提供了新的思路。最终，这一研究推动了功能材料领域的进步，特别是在新型电子器件和智能材料的设计与应用方面，具备极其重大的学术和应用价值。
图1：原位合成的β″-In₂Se₃纳米线的透射电子显微镜（TEM）表征。
图3：β″-In₂Se₃纳米线器件在施加一系列直流电流-电压扫描前后的扫描透射电子显微镜（STEM）分析，显示滑移缺陷的形成。
图4：β″-In₂Se₃纳米线器件的原位偏压动态透射电子显微镜（DFTEM）成像及非晶化现象的观察。
科学启迪】本文揭示了铁电β″-In₂Se₃纳米线在直流偏压作用下发生的独特长程固态非晶化（SSA）过程，体现了电场、电流、压电应力等多重因素的协同作用。这一发现不仅扩展了对多功能材料在极端条件下行为的理解，也为开发新型功能材料提供了宝贵的视角。通过揭示多种材料特性（如层状、半导体、铁电和压电）协同作用下的非晶化机制，研究为设计具备自适应性或可调性能的铁电和压电材料开辟了新的方向。此外，本文的实验和计算方法论结合为理解材料相变及其动力学行为提供了新的技术方法，尤其是在原位表征和高分辨率成像方面的突破，能为未来材料的多尺度模拟和设计提供理论指导。
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