通訊作者：Kenji Yasuda, Pablo Jarillo-Herrero2D鐵電由于其原子層厚度的強(qiáng)極化效應(yīng)，能夠用于合成各種異質(zhì)結(jié)構(gòu)。在實(shí)驗(yàn)中構(gòu)建這種異質(zhì)結(jié)構(gòu)具有非常大的難度，這是因?yàn)闃?gòu)建過程需要層狀極化晶體材料。有鑒于此，麻省理工學(xué)院Pablo Jarillo-Herrero（魔角石墨烯發(fā)現(xiàn)者之一，曹原導(dǎo)師）、Kenji Yasuda等報(bào)道從非鐵磁性材料中通過vdW組裝構(gòu)建2D鐵電材料，在平行堆疊結(jié)構(gòu)雙層BN中實(shí)現(xiàn)了層間極化。這種鐵電性質(zhì)在室溫中穩(wěn)定存在，同時(shí)石墨烯的遷移率得以保持，為構(gòu)建超薄非易失性存儲(chǔ)器件提供可能性。鐵電材料由于具有電場(chǎng)調(diào)控極化效應(yīng)，廣泛應(yīng)用于非易失性存儲(chǔ)、高節(jié)點(diǎn)常數(shù)電解質(zhì)、電動(dòng)執(zhí)行器、熱釋電傳感器等領(lǐng)域，降低鐵電材料的厚度是實(shí)現(xiàn)鐵電材料用于密集存儲(chǔ)、低功耗的重要方法，在室溫條件中實(shí)現(xiàn)原子層厚度鐵電材料難以實(shí)現(xiàn)，這是因?yàn)槿O化作用目前僅僅在三種材料中發(fā)現(xiàn)：鈣鈦礦、HfO2、2D vdW材料。其中2D vdW材料具有較高應(yīng)用前景，這是因?yàn)槭┑?D vdW材料能夠很好的組裝到鐵電器件中的同時(shí)保持其鐵電性質(zhì)，因?yàn)?D vdW材料不含有懸掛鍵。目前人們發(fā)現(xiàn)具有鐵電應(yīng)用前景的2D vdW材料較少，包括CuInP2S6、In2Se3、MoTe2、WTe2。通過設(shè)計(jì)2D vdW材料的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，有望實(shí)現(xiàn)物理性質(zhì)上的突破，比如當(dāng)石墨烯與BN結(jié)合，或者將多層石墨烯以較小角度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，能夠?qū)⑹┍菊鱀irac能帶結(jié)構(gòu)改變，從而為探索電子關(guān)聯(lián)、拓?fù)淠軒У刃再|(zhì)提供機(jī)會(huì)。本文作者發(fā)現(xiàn)，vdW堆疊能夠調(diào)控電子能帶結(jié)構(gòu)，同時(shí)能夠改變晶體對(duì)稱性，從而從本征不具有鐵電性質(zhì)的材料中構(gòu)建鐵電性質(zhì)。具體的，作者在BN中展示了這種引發(fā)鐵電性質(zhì)的方法。正常條件中BN晶體的堆疊形式為AA′型，當(dāng)改變堆疊結(jié)構(gòu)，以AB或者BA形式堆疊形成亞穩(wěn)態(tài)，其中N原子的pz軌道與相鄰層中B原子的pz軌道交疊，導(dǎo)致N原子的pz軌道結(jié)構(gòu)畸變，產(chǎn)生電偶極矩并產(chǎn)生面外極化現(xiàn)象。圖1.雙層BN材料堆疊產(chǎn)生極化和鐵電性質(zhì)示意圖。作者通過垂直壓電力顯微鏡PFM（vertical piezoelectric force microscopy）表征AB堆疊雙層BN的垂直方向鐵電性質(zhì)，作者首先構(gòu)建了0°雙層BN材料，這種低對(duì)稱性雙層BN材料產(chǎn)生具有獨(dú)特AB、BA交錯(cuò)極化現(xiàn)象（staggered polarization）的moiré圖案結(jié)構(gòu)，通過PEM測(cè)試發(fā)現(xiàn)雙層扭角BN表現(xiàn)三角型圖案，相鄰三角形表現(xiàn)明顯的對(duì)比度差異，對(duì)比實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在單層BN中不存在這種現(xiàn)象。電場(chǎng)調(diào)控極化效應(yīng)改變。作者將雙層BN構(gòu)建為器件，考察了其不同電場(chǎng)條件中極化程度的變化。作者通過在BN中加入不同電壓，隨后考察電阻變化情況，發(fā)現(xiàn)雙層BN在施加偏壓后，電化學(xué)正向/反向掃描的電化學(xué)變化曲線區(qū)別，產(chǎn)生回滯效應(yīng)，驗(yàn)證了極化現(xiàn)象。作者對(duì)雙層BN材料的鐵電性質(zhì)進(jìn)行載流子濃度（nH）研究，通過霍爾電阻測(cè)量中得到載流子密度，發(fā)現(xiàn)電化學(xué)掃描過程中載流子濃度發(fā)生突變，對(duì)應(yīng)于鐵電轉(zhuǎn)變效應(yīng)。正向掃描/反向掃描之間的載流子濃度區(qū)別2Δn=2.6×1011 cm-2，通過這個(gè)數(shù)據(jù)作者進(jìn)一步得出雙層BN的極化幅度（magnitude of the polarization）的實(shí)驗(yàn)結(jié)果為2.25×10-12 C m-1，這個(gè)結(jié)果與理論預(yù)測(cè)結(jié)果相符（2.08×10-12 C m-1）。作者考察了雙層BN材料器件的溫度相關(guān)鐵電性能。作者發(fā)現(xiàn)極化導(dǎo)致載流子變化Δnp并未隨著溫度變化而改變，這種與溫度無關(guān)的極化現(xiàn)象由于雙層BN材料中面外極化現(xiàn)象與面內(nèi)剪切運(yùn)動(dòng)之間產(chǎn)生非常獨(dú)特的耦合效應(yīng)，這種溫度不敏感性來自于層間原子之間的強(qiáng)共價(jià)相互作用，導(dǎo)致原子的面內(nèi)熱振動(dòng)受到抑制，因此實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫度不敏感的鐵電極化現(xiàn)象。同時(shí)，作者在室溫中表征了鐵電效應(yīng)用于存儲(chǔ)器件，發(fā)現(xiàn)器件在室溫條件中能夠通過施加較低的電壓實(shí)現(xiàn)注入/讀取極化。在10 K、50 K、100 K、300 K不同溫度中發(fā)現(xiàn)都表現(xiàn)了鐵電回滯現(xiàn)象，電阻的峰強(qiáng)度并未發(fā)生改變，區(qū)別僅僅在于電阻峰發(fā)生寬化，展示了其鐵電性能在溫度變化過程中保持穩(wěn)定的特征。在室溫條件中分別測(cè)試器件的連續(xù)鐵電變化性能、長(zhǎng)時(shí)間鐵電存儲(chǔ)性能，發(fā)現(xiàn)室溫鐵電存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)變都非常穩(wěn)定。Kenji Yasuda et al. Stacking-engineered ferroelectricity in bilayer boron nitride, Science 2021,DOI: 10.1126/science.abd3230https://science.sciencemag.org/content/early/2021/05/26/science.abd3230本文以預(yù)印本形式于2020年發(fā)表于arXiv上https://arxiv.org/abs/2010.06600
