高质量CuInP2 S6 单晶的制备及其本征电学特性解析：解决二维铁电材料争议性问题的关键突破

针对CuInP2 S6 （CIPS）材料介电/铁电性质长期存在的争议，研究人员通过化学气相传输法（CVT）成功合成高质量单晶，结合X射线衍射（XRD）、偏振拉曼光谱和像差校正扫描透射电镜（AC-STEM）等多维度表征，首次揭示了CIPS的本征电学特性：其居里温度为330 K，剩余极化强度（Pr ）达4.77 μC/cm2 ，澄清了其非偶极玻璃行为的本质，为二维铁电器件开发奠定理论基础。

　　

在二维材料研究领域，CuInP₂
S₆
（CIPS）因其室温铁电性和厚度依赖的带隙特性，被视为高密度信息存储的理想候选材料。然而，关于其最核心的介电/铁电性质却长期存在争议——早期研究报道的居里温度跨度达30 K（310-340 K），低频介电色散现象是否为本征特性尚无定论，甚至对其是否属于偶极玻璃材料仍莫衷一是。这些争议的根源在于高质量CIPS单晶的匮乏：传统合成方法易产生Cu含量失配导致的CuInP₂
S₆
/In_4/3
P₂
S₆
相分离，或引入铜空位缺陷，严重干扰本征电学特性的准确测定。

为破解这一困局，中国科学院的研究团队通过精确调控化学气相传输法（CVT）的反应区温度梯度与冷却速率，成功制备出厘米级高质量CIPS单晶。该成果发表于《Journal of Materiomics》，系统揭示了CIPS的原子排列、电子构型与铁电特性的内在关联。

研究团队采用多尺度表征技术：通过X射线衍射（XRD）和电子背散射衍射（EBSD）确认单晶取向；结合偏振拉曼光谱的4叶瓣特征图谱验证结构均一性；利用像差校正扫描透射电镜（AC-STEM）在原子尺度观测无缺陷的Cc空间群结构；采用X射线光电子能谱（XPS）和电子顺磁共振（EPR）证实Cu⁺
的[Ar]4s⁰
3d¹⁰
电子构型；最后通过宽频介电谱和铁电回线测试揭示本征电学响应。

3.1 晶体结构与电子构型验证
厘米级CIPS单晶（图1a）的EDS mapping显示元素分布符合CuInP₂
S₆
化学计量比。紫外吸收谱测得直接带隙为2.6 eV（图1b），与无缺陷半导体特征吻合。红外光谱中457 cm^-1
处的PS₃
基团对称变角振动峰（图1c）与第一性原理计算结果一致。EPR信号缺失（图1f）和负磁化率（图1g）证实了Cu⁺
的d¹⁰
全满电子构型导致的抗磁性。

3.2 单晶质量鉴定
偏振拉曼的0-180°扫描显示377 cm^-1
处P-P伸缩振动峰呈四叶形极坐标分布（图2c），证实长程有序性。EBSD反极图（图2g）显示单一(001)取向，AC-STEM直接观测到In-(P,Cu)-(P,P)原子链（图3b），层间距测量误差<1.5%，证明无晶格畸变。

3.3 本征电学特性
介电测试显示：单晶沿c轴介电常数ε≈12（图4a），损耗因子tanδ≈0.04，显著低于多晶样品。330 K处出现一级相变特征峰（图4b），且100-200 K区间无低频色散现象，否定了偶极玻璃假说。铁电测试获得典型电滞回线，在100 Hz下P_r
=4.77 μC/cm²
，E_c
=34 kV/cm（图4e-f），其不对称性源于Cu⁺
离子迁移诱导的偶极取向效应。

这项研究通过材料合成-结构表征-性能测试的全链条创新，首次建立了高质量CIPS单晶的制备标准，澄清了其本征铁电行为的关键参数：居里温度330 K、单轴介电常数12、剩余极化强度4.77 μC/cm²
。这些发现不仅终结了长达十年的学术争议，更为设计基于CIPS的存储器（如铁电隧道结）、传感器（如X射线探测器）和神经形态器件（如忆阻器）提供了精确的性能基准。尤其值得注意的是，研究证实CIPS的低频介电异常源于样品缺陷而非本征特性，这一结论将推动该领域研究从"现象观察"转向"本征机制探索"，具有里程碑意义。