|作者：楊柳1,† 吳夢昊2,††
(1 三峽大學物理系 湖北省弱磁探測工程技術研究中心)
(2 華中科技大學物理學院)
本文選自《物理》2024年第11期
摘要近年來，二維鐵電受到了廣泛關注，尤其是滑移鐵電理論指出，大多數二維材料都可以透過層間堆疊產生垂直極化，並在電場下透過層間滑移翻轉，這種獨特的鐵電機制已在多種范德瓦耳斯體系中得到了實驗的廣泛驗證。文章綜述了近期滑移鐵電的理論和實驗進展及其潛在應用：其獨特的滑移機制使翻轉勢壘空前降低同時又保證了熱穩定性，還可使資訊寫入高速低耗且抗疲勞；滑移鐵電性與二維材料磁、光、超導、谷電子、拓撲性質、聲子手性等豐富物性的耦合使它們可以被非易失性電控，相關的莫爾鐵電、金屬鐵電、非線性霍爾效應等也極大豐富了鐵電物理，為探索新奇物理現象和開發新型電子器件提供了廣闊平臺。目前已實現了滑移鐵電單晶的大規模生長，基於滑移鐵電的電晶體、神經形態憶阻器、光電子等器件的優越效能也得到驗證，未經最佳化的翻轉速度和抗疲勞性已能和目前成熟的鐵電器件最優效能相比擬，未來前景可期。
關鍵詞二維材料，滑移/莫爾鐵電，高速低耗，抗疲勞
1 引 言
鐵電材料具有極化雙穩態且可被外電場翻轉，在非易失性儲存、感測、非線性光學器件等領域中應用廣泛 [1—3]。然而傳統鐵電材料在尺寸減小至奈米量級時，由於退極化場增強、表面重構等因素影響，極化劇減甚至完全消失 [4，5]，各種介面問題也嚴重製約了鐵電材料在高整合度電子器件中的廣泛應用。原子級厚度的二維材料擁有乾淨的范德瓦耳斯介面，迄今為止已實驗合成了一系列二維鐵電體系 [6，7]，如SnTe [8]、In 2Se 3 [9—11]、CuInP 2S 6 [12]等。然而，大多數常見的二維材料，如MoS 2、h-BN、石墨烯等由於晶格高度對稱，在單層下不具備鐵電性。我們在2017年提出了滑移鐵電機制，指出透過雙層或多層的特定堆疊可以打破單層結構下的對稱性，產生一種透過層間滑移翻轉的垂直鐵電性 [13，14]。近年來這一預測得到了廣泛實驗證實，如在BN [15—18]，InSe [19—22]，過渡金屬硫屬化合物TMDs (MoS 2 [23—30]，WSe 2 [31，32]，WTe 2 [33—36]，MoTe 2 [37]，ReS 2 [38]，ReSe 2 [39])等二維體系，甚至在奈米管 [40]和有機晶體 [41]等體系中都觀測到滑移鐵電性的存在。
滑移鐵電兼具極低翻轉勢壘和較高居里溫度，可使資訊寫入高速低耗且抗疲勞，這些都已被實驗證實。此外還能與二維材料的各種豐富物性相結合，衍生出一系列新奇的物理特性。在本文中，我們將系統介紹滑移鐵電性的基本原理、實驗驗證、理論和實驗的最新進展以及器件方面的應用，探討它的潛力和挑戰，並對未來研究方向進行展望。
2 滑移鐵電的機制及理論進展
2.1 滑移/莫爾鐵電機制
以BN雙層為例，反平行堆疊的構型維持了中心對稱性，不具備極性，而平行時可以形成AB堆疊(圖1(a)左)或BA堆疊(圖1(a)右)，二者在能量上是簡併的。其中，在AB堆疊下，上層的氮原子正對下層硼原子，而上層的硼原子則對準下層的六元環中心。在BA堆疊中，情況則完全逆轉。在這兩種堆疊下，體系的對稱性被打破，導致層間的電荷重新分佈，在垂直方向產生電極化，第一性原理計算得到的極化值為2.08 pC/m (0.68 μC·cm -2)。AB與BA堆疊極化方向相反，二者之間可以透過層間滑移一個B-N鍵長的距離相互轉化，即在外加電場的作用下，驅動層間滑移完成極化的翻轉，這也是滑移鐵電性中“滑移”二字的由來。由於層間是范德瓦耳斯相互作用，翻轉勢壘普遍較低，利用Nudged elastic band(NEB)方法計算預測的雙層BN的滑移勢壘僅為幾個毫電子伏(圖1(b))，比傳統鐵電材料低近2個數量級。除了控制特定的高對稱堆疊形成這類單疇極性態之外，在層間引入小轉角或微小的晶格失配還可以產生週期性的鐵電疇分佈(圖1(c))，形成莫爾鐵電。這類滑移鐵電性可以推廣至一系列范德瓦耳斯多層甚至體相結構中，如MoS 2、InSe、GaSe、WTe 2 [14]等 (圖1(d))。
圖1 滑移/莫爾鐵電的理論模型 (a)雙層BN鐵電態的原子結構示意圖(左：AB堆疊；右：BA堆疊)，其中黑色箭頭從硼原子指向其他層中最近的氮原子，箭頭P標註了極化方向，紅色箭頭代表三個等價的滑移路徑；(b)層間滑移翻轉極化的滑移路徑和勢壘；(c)轉角雙層BN莫爾超晶格中的鐵電疇；(d)MoS2(左)和InSe(右)體相(R3m)中的鐵電性[13]
2.2 近期理論研究進展
2023年，徐長松和向紅軍團隊透過群論分析 [42]指出：基於單層材料的對稱性，可以推斷出在任意平移操作和特定旋轉條件下的雙層體系是否存在鐵電性。像石墨烯和磷烯等高對稱單質雙層體系在任何層間滑移向量的作用下都會保持中心反演對稱性，不應產生鐵電性。鑑於實驗在h-BN覆蓋的雙層石墨烯探測到了鐵電訊號 [43，44]，我們提出了跨層滑移鐵電模型，認為該鐵電來源於跨層堆疊構型的不對稱 [45]。該理論同樣適用於純多層石墨烯體系：當層數大於3時，在特定堆疊下也會出現跨層滑移鐵電性 [46]，目前已經被實驗證實 [47]。此外董帥團隊還預測滑移鐵電也可以存在於準一維鏈間(圖2(a)) [48]，之後還有零維分子半滑移鐵電的設計 [49]。滑移鐵電體系中的電極化通常較弱，但也不乏增強層間極化的預測 [50—52]，比如王前團隊預測PdSe 2/PtSe 2范德瓦耳斯異質結為具有面內極化的滑移鐵電體系，極化值高達17.11×10 -10 C/m [53]。
圖2 滑移鐵電的理論研究進展 (a)NbI4中的一維滑移鐵電[48]；(b)雙層BN滑移鐵電極化可被太赫茲鐳射翻轉[78]；(c)聲子手性在一些多層體系隨滑移鐵電翻轉而改變[74]；(d)滑移鐵電體系沿著紅色箭頭路徑，以同樣翻轉勢壘可無限滑移。上方兩張插圖分別為原子結構示意圖和對應的平面滑移勢壘
除了體系拓展，該滑移機制本身也得到了理論計算的深入研究。我們在2018年提出，雖然滑移鐵電勢壘極低，但由於二維材料面內剛性強從而使得電偶極子同向，無序態的高能量代價保證了其熱力學穩定性 [14]。Ping Tang等在連續平均場近似下建立了滑移鐵電的熱動力學模型，並以雙層BN和WTe 2為例，進一步理論上證實了滑移鐵電的普遍高居里溫度特性來源於單層的面內剛度 [54]。M. Marmolejo-Tejada等認為，不同於傳統鐵電體對於順電相的定義，滑移鐵電的順電相只能歸因於具有相反本徵極化的鐵電相的時間域平均值 [55]。鍾志誠團隊利用基於深度學習力場的分子動力學研究了滑移鐵電的疇壁及其動力學性質，揭示了其疇壁的低移動臨界電場和高移動速度的特性 [56]。
二維材料物性豐富，它們與滑移鐵電的耦合(如磁—電 [57—60]、谷—電 [61—63]、光—電 [64])是近期理論研究的重要方向。此外，滑移鐵電涉及的非線性光學 [65—67]、非線性霍爾效應 [68，69]、層霍爾效應 [70，71]、鐵電金屬 [72，73]、聲子手性與聲子霍爾效應 [74]、自旋劈裂 [75，76]、負壓電性 [77]等也極大豐富了鐵電物理。例如，黃華卿、段文輝團隊預測了ZrTe 5薄層中滑移鐵電和非線性霍爾效應的耦合 [69]；得益於滑移鐵電超低勢壘，楊玉榮、吳迪團隊 [78]和孟勝團隊 [79]最近都預測了雙層BN滑移鐵電極化可被太赫茲鐳射超快翻轉(圖2(b))；吳維康、張力發團隊預測滑移鐵電在一些多層體系可以翻轉聲子手性(圖2(c)) [74]；褚維斌、龔新高團隊透過激發態動力學分析發現滑移鐵電翻轉過程中伴隨的超快介面電荷轉移過程，並指出透過滑移可以實現光激發態載流子分佈的精確調製 [80]；楊長紅、程振祥團隊還預測在SnS 2 / MnPSe 3 / SnS 2異質結中，滑移誘導的鐵電相變可以改變MnPSe 3的 PT (空間反演和時間反演相結合)對稱性，進而實現從反鐵磁性到交錯磁性相變 [81]；龍閏、方維海團隊還預測滑移鐵電可用於調控載流子壽命 [82]。此外莫爾鐵電疇同樣可以調控物性，比如姚望團隊和Vladimir I Falko團隊都從理論上在W X 2 / Mo X 2 ( X=S, Se)轉角體系中揭示了週期性莫爾鐵電網格捕獲電子、空穴和激子的機制 [83]。值得一提的是滑移鐵電屬於非傳統的長離子位移鐵電 [84]，有可能不遵守諾伊曼定理 [85，86]，比如前文提及的4層石墨烯同時擁有面內3重旋轉對稱性和麵內鐵電性 [46]，理論上滑移鐵電體系沿著圖2(d)中的路徑，以同樣翻轉勢壘甚至可無限滑移下去。
3 滑移鐵電實驗進展
3.1 實驗驗證
2018年，Zaiyao Fei等人設計了圖3(a)中的器件結構 [33]：將單層石墨烯置於雙層WTe 2之上，並透過測量極化翻轉導致的石墨烯電導變化成功地獲得了回線特徵曲線，這一特性一直維持到350 K才消失，實驗測量估算的極化值(20 K下約為0.16 pC/m)與理論計算的極化值(0.38 pC/m) [87]數值上接近。而後Pankaj Sharma等人也在塊體WTe 2測到了鐵電性和金屬性共存的特徵 [34]。張翔團隊不僅在WTe 2中測到了電極化的訊號，還提供了層間滑移翻轉電極化的證據 [36]：如果極化透過層間滑移的方式翻轉，奇數層的情況下會經過一箇中心反演對稱的中間態1T′相(非極性單斜相)(圖3(b))，而偶數層不經過這個中間態；3層二次諧波(SHG)強度先急劇減小後增大，而4層SHG強度變化較小(圖3(c))。拉曼光譜測量得到的(圖3(d))層內聲子簡正模式(165 cm -1和215 cm -1)的強度不隨極化翻轉發生變化，層間剪下應變的聲子模式(9 cm -1)會在到達相變臨界點時迅速減弱。這些實驗結果都顯示鐵電相變時發生了相對的層間滑移，揭示了 T d-WTe 2(極性正交相)滑移鐵電性本質。2021年，de la Barrera等人利用雙柵極介觀裝置的電容感測技術，直接測定了雙層WTe 2在金屬狀態下的自發極化 [35]。此外，與WT e 2具有相似的晶體結構的MoT e 2、ReS 2以及ReS e 2中的滑移鐵電性也陸續被實驗觀測到 [37—39]。
圖3 WTe2中滑移鐵電性的實驗驗證 (a)雙層WTe2中鐵電性實驗測量器件示意圖[33]；(b)鐵電相和單斜相WTe2的結構側檢視；(c)三層和四層堆疊的WTe2隨垂直偏壓變化的SHG訊號(這裡是雙柵器件，透過垂直偏壓可以實現一定濃度的空穴摻雜，兩者是對應的)；(d)五層WTe2隨垂直偏壓變化的拉曼譜訊號[36]
2021年，另一典型的滑移鐵電體系雙層BN也被實驗所證實：麻省理工學院的P. Jarrilo-Herrero團隊透過圖4(a)，(b)中的輸運器件探測雙層BN中垂直極化對石墨烯電阻的影響，從而間接地探測極化狀態 [15]，根據載流子濃度變化估算的極化值(2.25 pC/m)與理論值(2.08 pC/m) [13]十分吻合；Moshe Shalom團隊用側帶開爾文探針模式原子力顯微鏡測量了雙層BN樣品中不同堆疊構型表面區域的電勢變化(圖4(c)，(d)) [16]，用加偏壓的探針實現了極化翻轉。上述WT e 2和BN分別屬於金屬和絕緣體，而半導體性的TMDs同質雙層 [24,28,88,89]甚至是異質雙層中 [25]的滑移鐵電性隨後也被實驗所證實。它們都是高遷移率半導體，且帶隙容易調控，有望在這類體系中結合鐵電儲存實現存算一體的計算架構。另外上述部分實驗還在扭角雙層BN、MoS 2等體系中觀察到了具有特定極性的莫爾鐵電疇的交錯排列現象 [15,16,23,24]，比如諾貝爾獎得主A. K. Geim團隊透過探測表面電勢的變化來視覺化轉角BN雙層上的鐵電疇分佈 [90]。齊瑞娟、段純剛團隊在γ-InSe中同時測到了面內和麵外極化 [19]，並採用原子級別原位球差電鏡技術首次從原子尺度上觀測到其層間的定向滑移，以及該層間滑移所引起的極化翻轉過程 [20]。張毅和董帥團隊還在有機—無機雜化體系(15-crown-5)-Cd 3Cl 6(CCC)分子晶體中觀測到了滑移鐵電，並直接測到了電滯回線 [41]。
圖4 BN中滑移鐵電性的實驗驗證 (a)雙層h-BN器件示意圖以及(b)石墨烯電阻隨頂柵和底柵電壓變化曲線。其中，(a)中左側小圖為器件結構，右側小圖為器件的光學顯微成像，(b)中右側小圖放大顯示了0.2 V/nm附近的資料(紅(藍)色曲線代表電壓正(反)向掃描資料[15])；(c)AFM測量小轉角下轉角h-BN樣品的局域電勢變化和疇結構，左上角小圖展示了具體掃描設定；(d)沿(c)圖中紫色線段測量的表面電勢變化[16]
3.2 滑移鐵電體系的直接薄膜生長
滑移鐵電的特性與堆疊方式密切相關，而目前的實驗操作往往依賴於精細的微納技術來剝離和重新組合這些二維材料。這一過程不僅技術要求高，而且難以實現大面積樣品的製備，嚴重限制了滑移鐵電體系的廣泛應用。因此研發出能夠精確控制薄膜生長的合成技術，以實現大面積、均勻一致的薄膜製備，對於推動滑移鐵電大規模應用具有重要的意義。近期已經有不少研究透過特殊的生長襯底設計和精確控制的外延生長方法，成功製備了高質量的滑移鐵電薄膜。例如，白雪冬、劉開輝等團隊透過斜邊外延技術成功製造出釐米尺寸單晶3R-BN(菱方相)，並驗證了其高居里溫度以及高穩定性的滑移鐵電性 [91]，還透過“晶格傳質—介面外延”材料製備策略，首次實現了層數及堆垛結構可控的3R-TMDs單晶的通用製備 [92]；王學文、劉政團隊透過化學氣相沉積(CVD)生長了雙層3R-MoS 2併成功觀測到滑移鐵電性 [93]。
4 相關物理與潛在應用
我們在2021年關於滑移鐵電的展望中提出 [14]，獨特滑移機制導致的低翻轉勢壘和高穩定性，有望應用於高速低耗資料的讀寫，並可以避免傳統鐵電材料因缺陷在極化反覆翻轉中聚集於電極導致的疲勞效應，此外還能利用二維鐵電易於高密度整合的特性。而對於二維材料豐富的本徵物理特性，如磁性、激子、非平庸拓撲、谷電子、超導等，它們與滑移/莫爾鐵電都可能產生耦合(圖5)，使它們得以非易失性電控，為開發新型器件提供了廣闊探索空間。
圖5 滑移鐵電的技術優勢及其與新奇物性的耦合 (a)滑移鐵電的技術優勢以及其可能耦合的二維材料本徵性質[14]；(b，c)雙層WTe2滑移鐵電實現非線性反常霍爾效應的調控，電場和填充因子(v)依賴的非線性反常霍爾響應分別在正向(b)和反向(c)電場掃描方向(黑色箭頭)下，顯示出了明顯的滯後現象[94]；(d)雙層MoTe2滑移鐵電調控超導性，正常態和超導態形成的蝴蝶形回線，表明了鐵電態和超導態的耦合(紅色和藍色箭頭表示電位移場D的掃描方向)[37]
4.1 多種物性耦合調控
目前滑移鐵電體系中預測最多的磁—電耦合 [57—59]和谷—電耦合 [61—63]仍有待實驗驗證，而滑移鐵電對激子和拓撲性質的調控已在一些報道中得以真正實現。例如Jie Shan和Kin Fai Mak團隊透過雙層WTe 2滑移鐵電實現了拓撲能帶、摩爾勢和非線性反常霍爾效應的調控(圖5(b)，(c)) [94]；Swarup Deb等人則直接觀測到滑移鐵電翻轉對激子訊號的顯著影響 [95]。
值得一提的是，鐵電材料被認為與金屬性相斥，因為金屬中的自由電子能夠很好地遮蔽由於長程有序偶極矩引起的內建場。然而對於滑移鐵電體系，鐵電極化來源於層間電荷轉移，電偶極矩主要分佈於范德瓦耳斯層間，與層內自由電子解耦合，透過特定堆疊序列，大多數二維金屬層都有可能被賦予可翻轉的極化特性 [46, 72, 87]。那些在傳統絕緣體鐵電材料中難以共存或很少共存的獨特性質，如等離子體效應、超導性、鐵磁性等，有機會在二維體系與滑移鐵電性耦合產生。例如Daniel A. Rhodes團隊發現在MoTe 2的薄層中，可以實現超導性與滑移鐵電性的共存，且鐵電性和超導性之間是緊密耦合的，並可透過鐵電翻轉來實現超導的開關(圖5(d)) [37]。
4.2 高速低耗及抗疲勞資料儲存
滑移機制的超低翻轉勢壘有望使得資料寫入速度空前提升，而由於其透過水平層間滑移翻轉垂直極化，還可能免於傳統鐵電材料的疲勞效應。鐵電材料的疲勞失效通常被認為是由帶電荷的缺陷在極化反覆翻轉中遷移並聚集於釘扎疇界和邊界電極處，進而影響極化翻轉。而滑移鐵電透過層間滑移實現極化翻轉所需電場較小，其層狀結構也使得缺陷難以跨越層間進行移動。
2023年，臺灣師範大學藍彥文團隊利用外延生長的3R-MoS 2作為鐵電電晶體(FeFET)中的溝道材料，實現了基於滑移鐵電的非易失性儲存器件(圖6(a)) [96]。得益於滑移鐵電的低勢壘特性，鐵電翻轉的矯頑場僅為0.036 V/nm，遠低於一些常見的鐵電薄層(0.1—1 V/nm) [97，98]，開關比高達10 6(圖6(b))。且資料訊號展現出極高的穩定性，在經歷了10 4次的迴圈測試之後未觀察到明顯的效能退化現象。2024年，電子科技大學劉富才團隊透過化學氣相輸送法制備了雙層MoS 2鐵電器件，揭示了其優異的抗疲勞效能 [30]。如圖6(c)，(d)所示，在百萬次迴圈電場翻轉極化以後，鐵電極化並未發生衰減。幾乎同時，Yasuda等人研究了另一種滑移鐵電材料——雙層BN的器件疲勞行為 [18]。他們發現，在極化反覆翻轉10 11次後器件的疲勞衰減非常微小，翻轉速度能夠達到納秒量級，這些已能和目前成熟的鐵電器件最優效能相比擬，且是在器件結構未經最佳化的情況下達到的，還有很大的提升空間。
圖6 3R-MoS2 FeFET的器件特性，其中(a)為結構示意圖，(b)為轉移特性曲線。當柵極電壓(VGS)大於2 V時，器件出現了明顯的滯後訊號，開關比大約為6個數量級[96]。3R-MoS2 FeFET器件的柵極轉移曲線(c)和靜態的電輸運測量曲線(d)，不同顏色曲線分別對應不同的迴圈次數[30]
4.3 多極化態、梯度極化累積和翻轉
滑移鐵電性的極化源自層間范德瓦耳斯介面間電荷轉移產生的電偶極矩，電極化主要分佈於層間區域。隨著層數的增加，體系包含的范德瓦耳斯介面也隨之增加。由於層間弱范德瓦耳斯作用的特性，不同介面之間近乎是解耦的，隨著層數增加可能會出現能量上簡併或準簡併的多極化態，最大極化值也會逐漸累積。
2022年，Moshe Shalom團隊對WSe 2和MoS 2多層體系進行了表面電勢測量 [27]。隨著層數增加，表面電勢表現出均勻間隔、幾乎解耦的臺階式增長(圖7(a)，(b))。由於這種極化層間局域的特點，極化對自由載流子的引入不太敏感，即使載流子的濃度高達10 13 cm −2，層間極化依然顯著。這一特性允許在不犧牲鐵電效能的前提下，透過調整載流子濃度來精確調控材料的面內導電性。他們進一步發現，極化並不會無限累積，而是隨著層數的增加逐漸趨於飽和(圖7(c)) [99]。2022年，劉富才團隊等透過機械剝離得到不同層厚的3R-MoS 2，並構築了一系列雙柵極場效應電晶體器件來研究其滑移鐵電翻轉的動力學過程 [26]，測出了很高的鐵電相變溫度(高於650 K)，並對載流子濃度變化具有良好的魯棒性。他們發現在多層情況下(大於兩層)會出現很多反常極化態(圖7(d))，每翻轉一層就會產生一箇中間態，歷經一個小時後仍能穩定。上海科技大學薛加民等人在三層的h-BN中也觀測到了這種多阻態和逐層翻轉的特性 [100]。
圖7 隨層數變化，滑移鐵電極化的累積和飽和現象 (a)開爾文探針力顯微鏡測量的WSe2表面電勢(右下角小圖展示了器件結構)；(b)兩層(紅線)和三層(藍線)表面電勢沿著圖(a)中紅色和藍色短線區域的變化曲線[27]；(c)MoS2中表面電勢隨層數的變化，左上角小圖對8—10層處進行了區域性放大顯示，右下角小圖展示了掃描設定[99]；(d)在脈衝電場作用下，不同層厚的3R-MoS2 FET中的起始態(E++)、中間態(E-和E+)和終態(E--)的穩定性[26]
滑移鐵電獨有的多極化態特性在多型儲存、憶阻器和神經形態計算等領域具有巨大的應用前景和潛力。2024年，鄭守君等人基於平行堆疊的h-BN隧穿器件設計了一種滑移憶阻器，它在介面極化的作用下表現出可調的憶阻行為 [101]。河北大學閆小兵等人也基於ReSe 2的滑移鐵電性設計實現了多功能憶阻器，器件表現出記憶電容和憶阻器的可重構行為以及可見光感知、邏輯“或”計算、長/短期突觸可塑性等多種功能 [102]，基於該器件構建了神經網路，成功對手寫數字圖片進行了識別，準確率可達97.04%。中國科學院物理研究所張廣宇團隊基於3R-MoS 2搭建的二維滑移鐵電半導體器件，在室溫下不僅表現出高開關比、非易失性儲存特性，且在彎曲超過10 3次後仍能保持效能。此外，他們還基於該柔性滑移鐵電突觸展示了模擬特定赫布形式的可塑性，如長期增強和抑制，並構建了五層，實現了高達97.81%的手寫數字集(MNIST)識別的準確率 [103]。
4.4 光電子器件
傳統的鐵電材料通常屬於絕緣體，較大的帶隙限制了它們在光電子器件中的應用。而滑移鐵電機制廣泛適用於范德瓦耳斯層狀體系，涵蓋範圍從絕緣體(BN)到高遷移率半導體(TMDs)甚至是金屬(WTe 2)，為基於鐵電材料的光電子器件提供了豐富的候選材料。Ziliang Ye團隊利用3R-MoS 2的層間極化及其誘導的退極化場，構建了一種高效率的石墨烯—MoS 2光伏器件 [104]。器件在室溫條件下展現出高達16%的外部量子效率，這一效能顯著優於目前已知的體光伏器件所達到的最高效率，其提升幅度達到了一個數量級。隨後他們進一步利用MoS 2雙層在低溫下實現了10%的外部量子效率並觀察到了皮秒級別的光電流響應，這表明該裝置的內在頻寬達到了約100 GHz的高水平 [105]。郭耀團隊還在交叉堆疊的WS 2奈米管中觀測到了范德瓦耳斯介面滑移產生的自發電極化轉換，首次在零維體系中證實了滑移鐵電機制 [40，106]。此外，他們發現其具有可程式設計且非易失的光伏特性，因此是一種天然、理想的光伏隨機存取儲存器，並製備了16畫素的這種儲存器陣列，實現了硬體層面的神經網路演算法，成功演示了基於監督學習和強化學習兩種演算法的影象識別功能 [106]。
5 結語與展望
過去一年裡滑移鐵電研究進展備受矚目，尤其在實驗方面，不但驗證了其高速低耗和抗疲勞等優勢，一些應用瓶頸問題也得到了解決，比如大規模的單晶生長。滑移鐵電體系中的極化來源於不對稱的范德瓦耳斯層間電荷轉移，強度通常較弱，一些預測極化較高的體系仍未被實驗證實，但並不妨礙一些極化較弱的半導體滑移鐵電電晶體實現高達10 6的開關比 [22，96]。正如今年發表在 Science的一篇報道所言 [18]，雖然BN和MoS 2體系的滑移鐵電三年前才被實驗證實，現在這類器件的諸多方面已接近目前成熟鐵電器件的最優效能，且是在器件結構未經最佳化的情況下達到的，未來還有很大提升空間。此外滑移鐵電性與二維材料磁、谷、光、超導等豐富物性的耦合，相關的莫爾鐵電、金屬鐵電、非線性霍爾效應等，都極大豐富了鐵電物理內涵，其本身一些非傳統性質(如相變、疇壁運動、多重滑移方式等)也仍有未明之處，值得未來研究繼續探索。
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《物理》50年精選文章
