自從鐵電性在羅謝爾鹽中被發現，鐵電材料的研究已經走過一百多年。在這一百多年中，有關鐵電的基礎研究和工業應用都取得了輝煌成果。
近年來，積體電路的蓬勃發展驅使學界不斷探索新的材料和器件架構，以期解決晶片小型化帶來的各種問題。而鐵電材料有可能在其中發揮作用，比如非易失性鐵電三極體等。
但是，鐵電材料的自發極化受其尺寸的影響，當材料過薄的時候鐵電性可能會消失。一直以來，鐵電材料的尺寸效應不僅是基礎研究的重點，也是其應用上的技術難點。
隨著二維材料相關研究的日益成熟，有學者提出將鐵電和傳統二維材料結合的想法。近年來，有課題組透過微納加工技術，以特定的次序堆垛單層二維材料，打破了層間中心反演對稱性實現了二維鐵電。
透過層間相對移動一個晶格常數可以實現極化翻轉，也就是所謂的“滑移鐵電”。滑移二維鐵電的出現，讓鐵電性維持在原子層級別厚度，以及實現低能耗的極化翻轉成為可能。
兩年前，上海科技大學教授和團隊復現了轉角氮化硼器件，結合其所擅長的測試手段，他們開始對其電學性質進行表徵。
後來，他們掃描得到了莫爾鐵電疇，透過疇壁處的原位測試還得到了非易失性的電流曲線。
後又透過施加應變，觀測到了器件級別的滑移鐵電。基於此，受二維鐵電計算、多層轉角石墨烯等研究的影響，課題組嘗試在原有的雙層轉角器件上再新增一層氮化硼，期待看到更多的極化狀態。
由於器件製備和測試手段都比較熟悉，所以前期研究整體比較順利。和之前的研究結果類似的是，他們在掃描中得到了兩套莫爾條紋和四種鐵電疇。
受限於探針解析度和儀器內部的熱漂移，對被測試的疇有一定的尺寸要求。
在外加電場面掃電流測試時，他們發現隨著外加電場的變化，各種極化組合和隧穿阻態的對應關係會變化，這在此前工作中從未出現。
這就意味著，他們不能像之前那樣透過電流大小，去確定各種疇所對應的極化方向。
表示，幾次面掃電流結果都以為是樣品漂移，測試結果不穩定，直到單點測試才證實前面的測試是正確的。
後續的開爾文探針力顯微鏡測試也並沒有預想中順利，基礎款的開爾文探針力顯微鏡模式由於解析度差，因此無法辨別各種鐵電疇。
在使用調頻開爾文探針力顯微鏡後，解析度才上了一個臺階。再結合理論計算的結果之後，他們才對新的實驗結果有了更深的認識。
具體來說，他們先在兩層處確定疇的極化方向，透過引入開爾文探針顯微鏡測試，藉此觀察到這一現象：不同的疇所對應的功函式也不相同。
再結合各種疇在外加電場下尺寸的變化，他們最終得到四種疇的極化組合，其中可分為鐵電疇和反鐵電疇兩類。
在原位電流測試中其還發現，雖然各種疇和隧穿阻態的對應關係會變化，但並非毫無規律可循，最下面的層間極化向上的疇阻態永遠低於另外兩種。
靠近疇壁處採點的話，不僅極化會翻轉，電流也會跳變，從而產生回滯視窗。這種翻轉是逐層的，而且總是以下層間開始。下層間更靠近石墨，於是他們開始思考：是不是石墨-氮化硼介面影響了隧穿阻態？
後來，他們開始和華東師範大學段純剛教授以及童文旖教授進行合作。為了更深入地瞭解實驗結果，後者使用了密度泛函理論和非平衡格林函式方法進行計算，得到的結果和原位隧穿電流實驗結果一致。
考慮到跨層效應，於是他們又計算了不同模型結構下的電荷轉移量，結果發現石墨襯底對轉角氮化硼性質的影響，取決於氮化硼下層間的極化方向。
這就解釋了為何相同下層間極化方向的疇，會有類似的阻態大小。而在吸取各位審稿人的意見後，這一工作逐漸得到完善。
至此，也意味著他們在滑移二維鐵電的基礎上發現了新內容。最終的研究結果不僅證實了他們之前的猜想，還發現了該體系的極化可以逐層翻轉，並能產生多種隧穿電阻態，這也與石墨-氮化硼層間相互作用有關。
透過此，他們揭示了滑移二維鐵電的獨特性質和應用潛力，也揭示了石墨-氮化硼介面對於鐵電和反鐵電隧穿電阻的影響，這對層間鐵電研究而言是一項重要的補充。
同時，本次成果實現了多種極化疇的共存，對於在二維材料中構建多阻態系統有著很大的參考價值。
由於這項研究隸屬於滑移鐵電這一新興領域。而其具有材料二維化、開關功耗低、多阻態等性質，因此在非易失性多型儲存器研發、鐵電儲存器在半導體線路中的整合以及存算一體架構等方面都具備應用潛力。
最終，相關論文以《鐵電和反鐵電三層氮化硼中的多阻態》（）為題發在 Nature Communications[1]。
呂銘、王九龍、田明為第一作者，東南大學教授、華東師範大學教授、上海科技大學教授擔任共同通訊作者。
圖 | 相關論文（來源：Nature Communications）
表示：“這項工作的面世，意味著在滑移二維鐵電的這棟樓上添了磚加了瓦，讓我們看到了之前看不到的秀麗風景。”
圖 | 薛加民（來源：個人主頁）
另據悉，滑移二維鐵電作為一種新的鐵電概念，在基礎研究上和應用上都有很大的潛力。二維鐵電疇的疇壁有特殊的態密度，並且具備自發極化，這種自發極化的方向體現出一種拓撲性質。
而莫爾鐵電疇也可以作為一種特殊的週期性電勢分佈，可以對其他二維材料電子結構進行調控。因此假如進一步最佳化電極，還有可能在鐵電隧穿結中實現優異的隧穿電阻效應。
此外，滑移鐵的電開關勢壘很低，可以在很低的功耗下控制器件，預計有望實現低功耗、高開關比的鐵電隧穿結。這些都是課題組未來的研究方向。
參考資料：
1.Lv, M., Wang, J., Tian, M.et al. Multiresistance states in ferro- and antiferroelectric trilayer boron nitride. Nat Commun 15, 295 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-023-44617-w
排版：劉雅坤
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