近日，课题组在力学及物理领域顶级期刊Phys. Rev. Lett.上发表了题为“Multistate Ferroelectricity Enabled by Electrically Controlled Phase Transition of Two-Dimensional Ices”的研究论文，论文第一作者为课题组博士生方俊杰，通讯作者为仇虎教授。

铁电性是指材料能够保持自发极化，并在外加电场作用下实现可逆翻转的特性。具备这一特性的材料已广泛应用于非易失存储器。提升器件存储密度的有效途径之一，是找到具有多个稳定极化态的铁电材料。然而，传统铁电材料通常依赖复杂的结构设计才能实现多极化态。我们的研究表明，二维双层冰这一仅有两个分子层厚度的超薄冰膜中，天然存在多极化态：在较弱电场下，水分子偶极轻微偏离电场方向，表现出低净极化相；而在较强电场下，偶极均指向电场方向，形成高极化相。由此产生的两种二维冰相进一步构建出一个具有四个极化态的铁电翻转路径，为下一代小型化、高效化的存储器设计提供了新的可能。

二维双层冰中四个可逆切换的极化态

二维双层冰的多态铁电性

通过全面的分子动力学模拟研究了受限于纳米通道中二维冰的铁电性。发现通过施加强度逐渐增大的面内电场，二维双层冰在电场作用下会经历一系列相变——从非极化的双层六方冰（AA-BHI），依次转变为低极化的AA堆垛铁电冰（AA-FBI）以及高极化的AB堆垛铁电冰（AB-FBI）。反转电场方向后，可得到极化方向相反但结构相同的对应铁电冰相，从而形成包含四个台阶（分别对应四个极化态）的电滞回线(图1)。这种多极化态现象在多铁性材料和二维材料中常见，而我们首次展示了其可能在二维冰中出现。

图1 受限二维冰的电滞回线

二维冰的铁电相变过程及结构分析

进一步分析表明（图2），二维冰的相变并非直接的固–固相变，而是通过局部结构破坏形成类液相，再由水分子重组完成新冰相的形成，在转变过程中可观察到 AA-FBI、AB-FBI 与液态结构并存的现象。此外，结构对比显示（图3）：AA-BHI 与 AA-FBI 均保持相似六元环结构，而 AB-FBI 则呈现更扭曲的六元环结构。水分子取向角 φ 的分布分析进一步揭示：AA-BHI 中 φ 值分布为六个对称分布的峰，表明水分子偶极矩互相抵消使得体系非极化；AA-FBI 与 AB-FBI 中则出现对称性破缺，使体系产生净极化；其中 AB-FBI 在 φ=90°处呈现单峰分布，说明偶极总体趋向沿 x 轴排列，从而表现出更高的极化强度。

图2 AA-FBI和AB-FBI的相变过程

图3 三种二维冰相的结构对比

基于二维冰的多态铁电存储原型器件

最后，我们提出了一种铁电存储原型器件（图4），该器件能够实现对二维冰的不同极化态进行精确调控和连续的多级切换。值得注意的是，在撤去电场后，二维冰的剩余极化保持良好的稳定性(如图4(b)绿色阴影所示)，这是非易失性存储所需的理想特征。

图4 一种利用二维冰多极化态切换的铁电存储原型器件

作者信息

论文第一作者为课题组博士生方俊杰，通讯作者为仇虎教授。该研究得到了国家自然科学基金重大项目、优秀青年科学基金、国家重点研发计划以及江苏省自然科学基金等项目的资助。

论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/ng9v-kxvd

Junjie Fang, Wanlin Guo and Hu Qiu*. "Multistate Ferroelectricity Enabled by Electrically Controlled Phase Transition of Two-Dimensional Ices." Phys. Rev. Lett. 135, 086402 (2025).