在人工智能和物聯網時代，鐵電材料因其非易失性存儲和超低功耗特性成為突破馮·諾依曼瓶頸的關鍵候選者。然而，傳統鐵電體受限于原子不可移動性，僅能實現單一極化切換動力學，嚴重制約了多功能器件的開發。這一困境隨著二維鐵離子材料CuInP₂S₂S₆（CIPS）的出現迎來轉機——其獨特的銅離子（Cu⁺）遷移特性為調控極化切換提供了全新路徑。

電子科技大學的研究團隊通過鐵電光伏效應（FePV）這一創新表征手段，揭示了CIPS中反常的六次極化反轉現象。研究發現，當施加循環掃描電壓時，短路電流（I_sc）相位會經歷六次翻轉，這種奇異行為源于銅離子在層內（電場平行極化方向）和層間（電場反平行極化方向）的差異化遷移動力學。通過精確調控極化電壓（V_p）參數，團隊首次在單一器件中實現了三種可編程切換模式：層內切換（Type I）、層間-層內耦合切換（Type II）和層間切換（Type III），為神經形態計算和多功能存儲器設計開辟了新維度。

研究采用機械剝離法制備石墨烯/CIPS/石墨烯異質結器件，結合鐵電光伏測量和壓電力顯微鏡（PFM）表征極化狀態。通過時間/電場依賴的I_sc監測和數值模擬，定量分析了銅離子遷移路徑與極化切換動力學的關聯性。

反常鐵電光伏行為的發現

當施加±3V極化電壓時，器件表現出常規鐵電光伏效應，I_sc隨V_p極性變化而反轉。但令人驚訝的是，在±11.4V高壓下，極化方向竟與電場方向相反——正電壓誘導向上極化（P_up），負電壓反而形成向下極化（P_down）。循環掃描實驗進一步顯示，I_sc會經歷六次相位反轉，形成三個明顯的滯回窗口。這種反常行為被證實源于銅離子在范德瓦爾斯間隙中的跨層遷移。

切換動力學的三重奏

通過時間分辨測量，團隊捕捉到三種特征模式：Type I（層內切換）在短脈沖下主導，使極化快速反轉；Type II（耦合切換）在中等脈沖寬度下出現，表現為極化先反轉后恢復；Type III（層間切換）需要長脈沖或高電壓，實現極化與電場反平行的穩定狀態。洛倫茲分布函數分析顯示，層間切換時間（t₂）是層內切換（t₁）的8倍，而純層間切換（t₃）又比耦合切換慢3倍，這與銅離子跨越范德瓦爾斯勢壘的能壘差異相符。

可編程器件功能實現

基于切換動力學調控，研究人員展示了三類器件應用：1）二進制存儲（±3V實現邏輯"0/1"）；2）漸進式切換（1.6-2.1ms脈沖調制實現突觸可塑性）；3）累積式切換（0.06-24ms脈沖序列模擬神經元放電）。特別值得注意的是，通過單向電壓即可實現狀態翻轉——3V脈沖寫入P_up后，10V脈沖可將其重置為P_down，這種非對稱操作極大簡化了電路設計。

這項研究首次在鐵離子材料中建立了極化切換動力學與離子遷移路徑的定量關系，突破了傳統鐵電體功能單一的限制。通過"電壓參數-離子遷移-極化狀態"的精準映射，為開發兼具存儲、計算和傳感功能的新型器件提供了普適性設計原則。未來，結合二維材料堆疊技術，這種可編程切換機制有望催生更復雜的多態存儲器和仿生計算系統。論文成果發表于《Nature Communications》，被審稿人評價為"打開了鐵電器件設計的新維度"。