集成电路进入到亚10 nm节点，需要探索新材料和新器件，二维（2D）材料从工作原理上为器件的小型化带来了前所未有的希望。其中2D铁磁、铁电材料在原子级尺度依然具有强的铁磁和铁电序，避免了块体铁磁和铁电材料在减薄的过程中出现的铁磁和铁电性减弱甚至消失。在柔性电子以及信息的高密度存储和高效处理等领域具有非常大的应用潜力。然而，目前关于2D室温铁磁材料的开发以及对2D磁序和铁序的外场调控研究依然处在起步阶段。基于此，山西师范大学许小红教授团队近期取得了以下重要进展：
1、2D VSe2磁性的厚度依赖及应力可调控性
范德华（vdW）材料在维度降低时通常表现出独特的物理特性，为探索基础物理和新器件应用提供了理想平台。其中二维（2D）磁性vdW晶体随着厚度减薄会出现独特的磁性质,特别是单层极限下的铁磁性及厚度依赖的磁特性是备受关注的研究热点。同时，原子级厚度和弱层间相互作用使vdW磁体具有机械柔性以及对外部刺激的敏感性，如，通过外部应力可有效控制和操纵磁态，为构筑新型柔性自旋器件提供备选方案。因此，研究2D磁性材料的厚度依赖磁性以及应变可调制磁性具有重要意义。
许小红教授团队通过化学气相沉积法成功合成厚度在几纳米到十几纳米的少层VSe2纳米片，其表现出稳定的室温铁磁性。利用磁力显微镜技术揭示了厚度依赖的微观磁性，当厚度接近单层时，样品具有明显的磁畴信号，随着厚度的增加，磁畴信号急剧下降，当厚度超过6 nm时，磁畴信号基本消失。此外，VSe2的磁性可以通过施加外部应变来控制，在拉伸应变中，Ms增加，在压缩应变中，Ms减小，这是由于在应变作用下V-Se相对距离和相互作用的变化。同时，与未施加应变的样品相比，在施加压缩应变和拉伸应变的样品中均观察到Hc的降低。这项工作拓宽了VSe2在应变电子器件或柔性器件领域中的应用。
该研究成果以“Thickness-dependent and strain-tunable magnetism in two dimensional van der Waals VSe2”为题于2022年5月10日在《Nano Research》期刊（SCI一区，影响因子：10.27）在线发表。山西师范大学博士研究生次文娟、中科院宁波材料所杨华礼博士为共同第一作者，山西师范大学许小红教授和薛武红副教授为共同通讯作者。
2、控制铁电极化构型实现多态存储
随着大数据时代信息的快速增长，要求开发具有超高密度的信息存储和新型多功能器件。利用外加电场控制铁电材料的极化为多态存储提供了新的平台。尤其是近期发展的2D范德瓦尔斯铁电半导体材料由于其洁净的界面和窄的带隙可实现无损的数据读取和持久的数据写入。因此，在2D范德瓦尔斯铁电半导体材料中，探索铁电极序工程控制的光电流和多态存储至关重要。
许小红教授团队构建了基于2D层状2H α-In2Se3铁电材料的两端器件；通过施加面内电场调控铁电极化构型，实现了可相互切换的三种电阻态，其具有快的切换速度、良好的耐久性（>300次循环）和保持性（>4500 s）。尤其是，中电阻态和低电阻态之间可通过超低电场（~5.7×102 V/cm）实现可逆切换。该场强的数值比其它2D铁电材料小1-2个数量级。此外，还发现三电阻态具有不同的光电流响应，有望应用于电写光读的高密度信息存储。本工作说明2H α-In2Se3在非易失性高密度存储器和新型光电器件中具有极大的应用潜力。
该研究成果以“Control of Photocurrent and Multi-State Memory by Polar Order Engineering in 2H-Stacked α-In2Se3 Ferroelectric”为题于2022年1月21日在《SCIENCE CHINA Materials》期刊（SCI一区，影响因子：8.64）在线发表。山西师范大学已毕业博士研究生吕宝华为第一作者，山西师范大学许小红教授和薛武红副教授为共同通讯作者。
3、在单一器件中实现突触和痛觉感受器模拟
生物神经系统中痛觉感受器、神经元和突触的整合与协作，使人类能够有效感知和处理有害信息，从而规避危险。受生物神经系统的启发，目前人工神经电子器件包括电解液基晶体管、依赖外来离子的忆阻器、卤化物钙钛矿忆阻器。这些器件在一定程度上存在重复性、可控性、稳定性和集成困难等问题。
许小红教授团队通过引入一种CMOS兼容、简单、稳定的Pt/V2O5/Pt三明治结构器件，首次通过在层状V2O5介质层中构建和调控缺氧V2O5-x和Mott VO2纳米通道分别模拟了类脑处理和神经痛觉感知功能。此外，在基于V2O5-x纳米通道突触器件卷积神经网络中，手写数字识别准确率在5个训练后高达80%，52个训练后达到89%。利用Mott VO2纳米通道器件的优异阈值转变还完美地模拟了痛觉感受器的所有关键特征。特别是，器件展现了0.4 V超低阈值电压和亚毫秒级孵化时间。这些结果说明在Pt/V2O5/Pt单一器件中构建的漂移型和Mott纳米通道能够很好的模拟突触和伤害感受器功能。该工作为开发多功能、超灵敏和高集成人工智能系统提供了新思路。
该研究成果以“Native Drift and Mott Nanochannel in Layered V2O5 Film for Synaptic and Nociceptive Simulation”为题于2022年6月28日在《SCIENCE CHINA Materials》期刊（SCI一区，影响因子：8.64）在线发表。山西师范大学薛武红副教授为第一作者，山西师范大学许小红教授和薛武红副教授为共同通讯作者。
以上研究得到了国家自然科学基金项目的资助和支持。
文章链接：
https://doi.org/10.1007/s12274-022-4400-9
https://doi.org/10.1007/s40843-021-1920-9
https://www.sciengine.com/SCMs/doi/10.1007/s40843-022-2165-8
图1 VSe2纳米片室温磁性的厚度依赖和应变调控
图2 在2H α-In2Se3中，调控极化构型实现光电流和三态存储的控制
图3 在单一器件Pt/V2O5/Pt中，构建和调控V2O5-x和VO2纳米通道，分别模拟类脑处理和神经疼痛感知功能
