具有強(qiáng)健極化到原子厚度的二維(2D)鐵電體，為功能異質(zhì)結(jié)構(gòu)提供了基礎(chǔ)。但由于層狀極性晶體的要求，目前實(shí)驗(yàn)上的實(shí)現(xiàn)，仍然具有挑戰(zhàn)性。

在此，來自美國(guó)麻省理工學(xué)院的Pablo Jarillo-Herrero等研究者，展示了一個(gè)合理的設(shè)計(jì)方法，可利用范德瓦爾斯組裝將2D鐵電體從非鐵電母體化合物中分離出來。相關(guān)論文以題為“Stacking-engineeredferroelectricity in bilayer boron nitride”發(fā)表在Science上。

論文鏈接：https://science.sciencemag.org/content/372/6549/1458

具有電場(chǎng)可切換極化的鐵電材料，提供了廣泛的技術(shù)應(yīng)用，如非易失性存儲(chǔ)器、高介電常數(shù)介質(zhì)、機(jī)電致動(dòng)器和熱釋電傳感器等。細(xì)化垂直鐵電體是實(shí)現(xiàn)鐵電非易失性存儲(chǔ)器的重要步驟之一，而這是追求更密集存儲(chǔ)和更低功耗的一部分。然而，由于退極化效應(yīng)，室溫下的鐵電性到原子厚度是很難獲得的，直到最近開發(fā)出三個(gè)系列材料：外延鈣鈦礦、HfO2基鐵電體和低維范德華(vdW)鐵電體。其中，2D vdW鐵電體為將石墨烯等高遷移率材料集成到鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管提供了機(jī)會(huì)，同時(shí)，由于沒有懸垂鍵而能保持其性能完整。它們均勻的原子厚度，也使其成為鐵電隧道結(jié)中鐵電隧道勢(shì)壘的理想材料。盡管二維垂直鐵電體CuInP2S6、In2Se3、MoTe2和WTe2在鐵電存儲(chǔ)器中的應(yīng)用具有潛在重要性，但迄今為止發(fā)現(xiàn)的例子還很少；由于原始層狀體晶中極空間群的要求，使得候選材料受到很大的限制。

vdW組裝技術(shù)的發(fā)展，使異質(zhì)結(jié)構(gòu)的工程性能超越了單層的物理性能之和。例如，當(dāng)石墨烯與六方氮化硼(hBN)對(duì)齊或與另一個(gè)輕微旋轉(zhuǎn)的石墨烯薄片堆疊時(shí)，其Dirac帶結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生顯著變化。通過對(duì)能帶結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，發(fā)現(xiàn)了與電子相關(guān)和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相關(guān)的各種突現(xiàn)現(xiàn)象，超出了原本能帶結(jié)構(gòu)的預(yù)期。

在此，研究者證明了vdW堆積不僅改變了電子能帶結(jié)構(gòu)，也改變了晶體對(duì)稱性，從而使得從非鐵電母化合物中設(shè)計(jì)出鐵電材料成為可能。研究者以BN為例，但同樣的方法也適用于其他兩部分蜂窩二維材料，如2H-型過渡金屬雙鹵族化合物(TMDs)。塊體hBN晶體實(shí)現(xiàn)AA′堆積，如圖1A所示。這種180°旋轉(zhuǎn)的自然堆疊順序，恢復(fù)了單層中被破壞的反轉(zhuǎn)對(duì)稱。然而，如果兩個(gè)BN單層薄片沒有旋轉(zhuǎn)堆疊(平行堆疊，P)，理論和實(shí)驗(yàn)表明，從而形成了極性AB或BA的堆疊順序(圖1,B和C)。這些構(gòu)型是平行堆疊形式的局部能量最小值，并以亞穩(wěn)晶體結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。在AB (BA)層中，上層的B (N)原子位于下層的N (B)原子之上，而上層的N (B)原子位于下層六邊形中心的空位置之上。

圖1 AB-堆疊雙層BN的極化。

研究表明，平行堆疊的雙層氮化硼表現(xiàn)出面外電極化，并隨堆疊順序發(fā)生反轉(zhuǎn)。通過鄰接堆疊的石墨烯薄片的電阻來探測(cè)極化開關(guān)。以較小的角度扭轉(zhuǎn)氮化硼片，可以形成moiré交錯(cuò)極化鐵電體，從而改變開關(guān)動(dòng)力學(xué)。這種鐵電性可在室溫下保持住，同時(shí)維持石墨烯的高遷移率，為超薄非易失性存儲(chǔ)器的潛在應(yīng)用鋪平了道路。

圖2 平行堆疊雙層BN中的鐵電開關(guān)。

圖3 雙扭曲層BN中的鐵電開關(guān)。

圖4 鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管的室溫操作。

綜上所述，本研究中所論證的vdW鐵電體和moiré鐵電體的設(shè)計(jì)方法可以推廣到其他兩部分蜂窩二維材料，例如半導(dǎo)體2H型TMDs，如MoS2和WSe2，金屬和超導(dǎo)的NbS2和NbSe2，以及III族硫族化合物，如GaS, GaSe和InSe等。這些合成鐵電體的逆對(duì)稱破缺，將通過極化開關(guān)以可調(diào)的方式耦合到電子能帶結(jié)構(gòu)上。除了對(duì)每一種材料的固有屬性進(jìn)行修飾所產(chǎn)生的有趣的物理特性之外，這種工程鐵電體和moiré系統(tǒng)，可能會(huì)大大擴(kuò)展二維材料在電子、自旋電子和光學(xué)等應(yīng)用方面的能力。