飞秒电子衍射揭示NbOI2铁电极化的超快动力学与光控增强机制

本研究通过飞秒电子衍射（UTED）技术首次实现了二维铁电材料NbOI2极化动态的原位探测，发现紫外激光激发可诱导极化先抑制后增强的双相响应（持续>200 ps），并揭示声子应变与压电效应的协同作用，为光控铁电器件开发提供了新思路。

　　

在光电融合器件迅猛发展的今天，二维范德瓦尔斯（vdW）铁电材料因其原子级厚度和强机电耦合特性备受关注。其中碘氧化铌（NbOI₂）作为室温铁电体，拥有已知vdW材料中最强的压电系数，但其超快光响应机制始终是未解之谜。传统表征手段如光学二次谐波（SHG）或X射线散射难以同时捕捉极化与晶格动力学，而电子衍射技术因其对电场敏感性和原子级分辨率，为这一难题提供了突破可能。

研究团队创新性地搭建了飞秒电子衍射（UTED）系统，采用266 nm紫外激光泵浦和150 fs电子脉冲探测的组合。通过机械剥离法制备7-39 nm厚NbOI₂纳米片，结合压电力显微镜（PFM）确认单畴极化状态。实验通过监测电子束偏转角度定量极化变化，同步分析衍射峰强度/宽度获取晶格动力学信息。

【超快极化抑制与恢复】

电子束偏转轨迹显示三阶段响应：1）2 ps内极化快速抑制达最大值（τ₁=0.68 ps），源于载流子屏蔽效应与晶格升温；2）7.75 ps时间尺度恢复并超调，形成增强极化态；3）299 ps慢速弛豫。值得注意的是，39 nm样品衍射峰在初始1 ps出现沿极化轴的选择性展宽（0.01 mrad），揭示出深度依赖的电场屏蔽梯度。

【相干声子激发】

衍射强度振荡显示20 GHz声波传播（对应样品厚度与声速比v/2D），(112)/(112?)弗里德尔对呈现反相位振荡（图5a），证实声波导致倒易点阵"跷跷板"运动。应变波通过泊松效应产生横向拉伸，触发压电响应使Nb-O键长差异增大，最终导致净极化增强。

这项发表于《Nature Communications》的研究开创性地将电子衍射发展为铁电极化超快探测工具，揭示NbOI₂存在独特的光致极化增强现象。该发现不仅为理解vdW铁电体光-电-力耦合提供了新范式，更启示通过应变工程调控极化态的新路径，对开发光控非易失存储器、太赫兹发射器等器件具有重要指导价值。