Atomic-Scale Observation of Reversible Thermally Driven Phase Transformation in 2D In2Se3

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作者
Fan Zhang,Zhe Wang,Jiyu Dong,Anmin Nie,Jianyong Xiang,Wenguang Zhu,Zhongyuan Liu,Chenggang Tao
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:13 (7): 8004-8011 被引量:88
标识
DOI:10.1021/acsnano.9b02764
摘要

Phase transformation in emerging two-dimensional (2D) materials is crucial for understanding and controlling the interplay between structure and electronic properties. In this work, we investigate 2D In 2 Se 3 synthesized via chemical vapor deposition, a recently discovered 2D ferroelectric material. We observed that In 2 Se 3 layers with thickness ranging from a single layer to ∼20 layers stabilized at the β phase with a superstructure at room temperature. At around 180 K, the β phase converted to a more stable β′ phase that was distinct from previously reported phases in 2D In 2 Se 3 . The kinetics of the reversible thermally driven β-to- β′ phase transformation was investigated by temperature-dependent transmission electron microscopy and Raman spectroscopy, corroborated with the expected minimum-energy pathways obtained from our first-principles calculations. Furthermore, density functional theory calculations reveal in-plane ferroelectricity in the β′ phase. Scanning tunneling spectroscopy measurements show that the indirect bandgap of monolayer β′ In 2 Se 3 is 2.50 eV, which is larger than that of the multilayer form with a measured value of 2.05 eV. Our results on the reversible thermally driven phase transformation in 2D In 2 Se 3 with thickness down to the monolayer limit and the associated electronic properties will provide insights to tune the functionalities of 2D In 2 Se 3 and other emerging 2D ferroelectric materials and shed light on their numerous potential applications ( e.g., nonvolatile memory devices).

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