自从铁电性在罗谢尔盐中被发现，铁电材料的研究已经走过一百多年。在这一百多年中，有关铁电的基础研究和工业应用都取得了辉煌成果。
近年来，集成电路的蓬勃发展驱使学界不断探索新的材料和器件架构，以期解决芯片小型化带来的各种问题。而铁电材料有可能在其中发挥作用，比如非易失性铁电三极管等。
但是，铁电材料的自发极化受其尺寸的影响，当材料过薄的时候铁电性可能会消失。一直以来，铁电材料的尺寸效应不仅是基础研究的重点，也是其应用上的技术难点。
随着二维材料相关研究的日益成熟，有学者提出将铁电和传统二维材料结合的想法。近年来，有课题组通过微纳加工技术，以特定的次序堆垛单层二维材料，打破了层间中心反演对称性实现了二维铁电。
通过层间相对移动一个晶格常数可以实现极化翻转，也就是所谓的“滑移铁电”。滑移二维铁电的出现，让铁电性维持在原子层级别厚度，以及实现低能耗的极化翻转成为可能。
两年前，上海科技大学教授和团队复现了转角氮化硼器件，结合其所擅长的测试手段，他们开始对其电学性质进行表征。
后来，他们扫描得到了莫尔铁电畴，通过畴壁处的原位测试还得到了非易失性的电流曲线。
后又通过施加应变，观测到了器件级别的滑移铁电。基于此，受二维铁电计算、多层转角石墨烯等研究的影响，课题组尝试在原有的双层转角器件上再添加一层氮化硼，期待看到更多的极化状态。
由于器件制备和测试手段都比较熟悉，所以前期研究整体比较顺利。和之前的研究结果类似的是，他们在扫描中得到了两套莫尔条纹和四种铁电畴。
受限于探针分辨率和仪器内部的热漂移，对被测试的畴有一定的尺寸要求。
在外加电场面扫电流测试时，他们发现随着外加电场的变化，各种极化组合和隧穿阻态的对应关系会变化，这在此前工作中从未出现。
这就意味着，他们不能像之前那样通过电流大小，去确定各种畴所对应的极化方向。
表示，几次面扫电流结果都以为是样品漂移，测试结果不稳定，直到单点测试才证实前面的测试是正确的。
后续的开尔文探针力显微镜测试也并没有预想中顺利，基础款的开尔文探针力显微镜模式由于分辨率差，因此无法辨别各种铁电畴。
在使用调频开尔文探针力显微镜后，分辨率才上了一个台阶。再结合理论计算的结果之后，他们才对新的实验结果有了更深的认识。
具体来说，他们先在两层处确定畴的极化方向，通过引入开尔文探针显微镜测试，借此观察到这一现象：不同的畴所对应的功函数也不相同。
再结合各种畴在外加电场下尺寸的变化，他们最终得到四种畴的极化组合，其中可分为铁电畴和反铁电畴两类。
在原位电流测试中其还发现，虽然各种畴和隧穿阻态的对应关系会变化，但并非毫无规律可循，最下面的层间极化向上的畴阻态永远低于另外两种。
靠近畴壁处采点的话，不仅极化会翻转，电流也会跳变，从而产生回滞窗口。这种翻转是逐层的，而且总是以下层间开始。下层间更靠近石墨，于是他们开始思考：是不是石墨-氮化硼界面影响了隧穿阻态？
后来，他们开始和华东师范大学段纯刚教授以及童文旖教授进行合作。为了更深入地了解实验结果，后者使用了密度泛函理论和非平衡格林函数方法进行计算，得到的结果和原位隧穿电流实验结果一致。
考虑到跨层效应，于是他们又计算了不同模型结构下的电荷转移量，结果发现石墨衬底对转角氮化硼性质的影响，取决于氮化硼下层间的极化方向。
这就解释了为何相同下层间极化方向的畴，会有类似的阻态大小。而在吸取各位审稿人的意见后，这一工作逐渐得到完善。
至此，也意味着他们在滑移二维铁电的基础上发现了新内容。最终的研究结果不仅证实了他们之前的猜想，还发现了该体系的极化可以逐层翻转，并能产生多种隧穿电阻态，这也与石墨-氮化硼层间相互作用有关。
通过此，他们揭示了滑移二维铁电的独特性质和应用潜力，也揭示了石墨-氮化硼界面对于铁电和反铁电隧穿电阻的影响，这对层间铁电研究而言是一项重要的补充。
同时，本次成果实现了多种极化畴的共存，对于在二维材料中构建多阻态系统有着很大的参考价值。
由于这项研究隶属于滑移铁电这一新兴领域。而其具有材料二维化、开关功耗低、多阻态等性质，因此在非易失性多态存储器研发、铁电存储器在半导体线路中的集成以及存算一体架构等方面都具备应用潜力。
最终，相关论文以《铁电和反铁电三层氮化硼中的多阻态》（）为题发在 Nature Communications[1]。
吕铭、王九龙、田明为第一作者，东南大学教授、华东师范大学教授、上海科技大学教授担任共同通讯作者。
图 | 相关论文（来源：Nature Communications）
表示：“这项工作的面世，意味着在滑移二维铁电的这栋楼上添了砖加了瓦，让我们看到了之前看不到的秀丽风景。”
图 | 薛加民（来源：个人主页）
另据悉，滑移二维铁电作为一种新的铁电概念，在基础研究上和应用上都有很大的潜力。二维铁电畴的畴壁有特殊的态密度，并且具备自发极化，这种自发极化的方向体现出一种拓扑性质。
而莫尔铁电畴也可以作为一种特殊的周期性电势分布，可以对其他二维材料电子结构进行调控。因此假如进一步优化电极，还有可能在铁电隧穿结中实现优异的隧穿电阻效应。
此外，滑移铁的电开关势垒很低，可以在很低的功耗下控制器件，预计有望实现低功耗、高开关比的铁电隧穿结。这些都是课题组未来的研究方向。
参考资料：
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：刘雅坤
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