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北京大学，Nature Nanotech.！

顶刊收割机  · 公众号  ·  · 2025-02-03 08:30

正文

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研究背景
界面铁电性是指在非极性范德华（vdW）异质结构中出现的铁电现象，因其具有能够非挥发性地切换电学、磁学和光学性质的潜力，成为了近年来的研究热点。然而，目前大多数研究集中于摩尔超晶格中的双层石墨烯和氮化硼（BN）异质结构，这些结构对组成材料和扭曲角度提出了严格的要求，限制了铁电性的广泛应用。特别是，双层石墨烯在这些材料中表现出的铁电性与强电子关联效应紧密相关，而摩尔带的极化电荷密度也超过了其总容量，这使得铁电性的机理和扩展至其他材料系统的可行性尚不明确。因此，如何在不依赖摩尔界面的情况下实现铁电性，成为了一个亟待解决的难题。
成果简介
有鉴于此， 北京大学路建明研究员、山西大学Zheng Vitto Han以及电子科技大学彭波教授、中国科学院微电子研究所韩春蕊等人 携手合作在Nature Nanotechnology期刊上发表了题为“Ferroelectricity with concomitant Coulomb screening in van der Waals heterostructures”的最新论文。科学家们成功地在由单层石墨烯、BN层和过渡金属硫化物（TMD）构成的异质结构中观察到铁电滞回响应，且该现象不依赖于摩尔超晶格。通过对比实验，研究者们发现，铁电性源自BN薄片中的堆垛缺陷，并由此提出了基于界面滑动铁电性的新观点。
该研究表明，导电铁电材料能够屏蔽栅电场，并通过其极化场控制下方的单层石墨烯，从而实现稳定的铁电开关。这一发现突破了传统材料设计的限制，为铁电器件的构建提供了更为灵活的材料选择，也为将铁电性与其他具有超导、拓扑或磁性特性的范德华材料结合提供了新思路。
研究亮点
1. 实验首次观察到界面铁电性与伴随库伦屏蔽效应，通过在不同的范德华异质结构中实现铁电性，包含单层石墨烯、氮化硼（BN）和过渡金属硫化物（TMD）层，得到了具有铁电滞回响应的现象。 这些结构包括BN/单层石墨烯/BN以及BN/WSe2/单层石墨烯/WSe2/BN异质结构。
2. 实验通过构建含有堆垛缺陷的BN薄片，证明铁电性源自堆垛缺陷，并排除了其他可能的机制。铁电性是由BN层之间的非中心对称堆叠引发的界面滑动铁电性所造成，特别是在BN/单层石墨烯/BN异质结构中得到了验证。
3. 通过使用多层扭曲MoS2替代BN，进行对照实验，观察到类似的铁电滞回响应，进一步验证了滑动铁电性在铁电性与库伦屏蔽效应中的关键作用。实验结果表明，滑动铁电材料能够有效屏蔽栅电场，通过其极化场控制单层石墨烯的电子态。
4. 实验结果拓宽了基于滑动铁电性的器件应用的材料和设计选择，缓解了对双层石墨烯等特殊材料和设计的依赖，为未来的存储器件和多功能范德华材料的结合（如超导、拓扑或磁性材料）提供了新的研究方向和理论依据。
图文解读
图1: 单层石墨烯异质结构的铁电性。
图2: 在多层转角MoS2中，观察到的铁电性。
图3: 偏振开关的动力学。
图4: 铁电性台阶Ladders 。
结论展望






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