界面铁电性出现在由非极性范德华 (vdW) 层组成的非中心对称异质结构中。伴随库仑屏蔽的铁电性可以切换拓扑电流或超导性并模拟突触响应。到目前为止，它仅在双层石墨烯莫尔超晶格中实现，对组成材料和扭曲角度提出了严格的要求。在这里，我们报告了在不同的 vdW 异质结构中伴随库仑屏蔽的铁电性，这些异质结构不含莫尔界面，包含单层石墨烯、氮化硼 (BN) 和过渡金属硫属化物层。我们在 BN/单层石墨烯/BN 以及 BN/WSe2/单层石墨烯/WSe2/BN 异质结构中观察到铁电滞后响应，并且在用多层扭曲 MoS2（一种典型的滑动铁电体）替换含有堆垛层错的 BN 时也观察到了铁电滞后响应。我们的控制实验排除了其他机制，因此我们得出结论，铁电性源自 BN 薄片中的堆垛层错。当导电铁电体以电方式屏蔽栅极场并通过其极化场控制单层石墨烯时，就会发生滞后开关。我们的结果放宽了基于滑动铁电性的设备应用的一些材料和设计限制，并且应该能够实现存储设备或与具有超导、拓扑或磁性的各种范德华材料的组合。
图 1. 单层石墨烯异质结构中的铁电性。a，具有两个不同部分的器件的光学特性，并附有结构示意图。单层石墨烯 (MLG) 以红色突出显示。请注意，表现出铁电性的顶部 BN (Fe-BN) 与底部六边形 BN (h-BN) 具有不同的符号。b,c，对于 A 部分和 B 部分，通过扫描顶部栅极 (c) 可以观察到磁滞电阻曲线，但通过扫描底部栅极 (b) 则观察不到。d，A 部分的磁场 B = 9 T 的二维电阻映射（参见插图中的扫描配置）。CNP 轨迹的近乎垂直的特征代表了库仑屏蔽机制，其中 Vt 似乎停止工作。朗道能级光谱还可以实现低电阻电子状态的可视化。显然，库仑筛选取决于特定的栅极，即该器件中的 Vt（用红色三角形表示），而不是由顶栅极和底栅极贡献的位移场。插图：栅极扫描图。e，A 部分顶栅极向前和向后扫描之间的磁滞回线。弛豫时间约为 4.8 分钟（参见补充部分 1 中补充图 1j 中的测量值）。插图：两种扫描配置。f，在另一个具有长弛豫时间的器件中，顶栅极向前和向后扫描之间的磁滞回线很显著。插图：两种扫描配置和器件示意图（参见补充部分 2 中的更多特性）。d，BN 薄片的厚度。
图 2. 在多层扭曲 MoS2 中观察到的铁电性。a，石墨烯-MoS2 异质结构的器件示意图。由于扭曲角度和应变的变化，每个界面处的反铁电畴将有所不同（示意性地绘制了两个界面）。但是，几乎解耦的界面（在补充第 10 节中证明）允许通过对所有界面进行数值平均来评估净极化 P。说明了电场 Ec 对畴极化的切换动力学。b，库仑屏蔽的工作机制。器件示意图突出显示了三种代表性状态，其中 t-MoS2 指的是 a 中所示的多层扭曲 MoS2。门控场（h-BN 层中的黑色箭头）被本征电子掺杂的 MoS2 屏蔽，但可以极化由 MoS2 制成的界面铁电体。铁电极化场 P 随后改变了顶部单层石墨烯的状态。这里我们展示了 E > E+c（顶部，P > 0）、0 < E < E+c（中间，P = 0）和 E−c < E < 0（底部，P = 0）的情况，其中 P = 0 表示石墨烯未掺杂。c，顶部：在 Vb 上来回扫描时观察到磁滞传递曲线。我们强调，磁滞不是铁电 BN 的结果，因为没有扭曲 MoS2 的另一部分石墨烯没有显示任何磁滞（底部）。d，显示库仑屏蔽机制的完整相图。极性畴网络的叠加示意图针对单个扭曲界面；然而，由于相邻界面的解耦，多层样品中的畴壁运动可以用单个界面的运动来表示。对应于 b 中的示意图，三个代表性状态用黑色圆圈突出显示。插图：栅极扫描方案。
图3. 极化切换动力学。a–j，通过改变正栅极的扫描范围来表征纵向电阻（a–e）和霍尔载流子密度（f–j）。这里，Vb 的负极限固定在 −10 V，正极限分别设置为 2 V、4 V、4.5 V、5 V 和 8 V。虽然在 a 中未实现正极化，但库仑屏蔽恰好发生在 b 中的 CNP 位置上。畴壁动力学可以在 c 中得到最好的呈现，其中在正向扫描期间未访问 CNP，但电子状态在反向扫描过程中继续将 CNP 从空穴掺杂传递到电子掺杂（如 h 所示）。在 i 中，底栅的屏蔽电容（Cs）用黑色虚线拟合，这与预期的 10 nm h-BN（红色虚线）的计算值不同。 k、箭头（顶部，Rxx）和极性域（底部，nH）在整个扫描范围内变化的电荷极化图示。
图 4. 铁电阶梯。a、在多层扭曲 MoS2 器件的相图中观察到的多个库仑屏蔽阶梯。附有极性畴网络层分辨切换的示意图，其中较小的畴需要较高的切换场。b、典型的 BN-石墨烯异质结构的相图，其中较少的阶梯表示极性畴的分布更均匀。插图：栅极扫描配置。请注意，这里在不同类型的器件中使用统一的 Vferroelectric 和 Vnormal 标记，分别代表有和没有磁滞回线的栅极。
相关科研成果由北京大学Jianming Lu等人于2025年发表在Nature Nanotechnology上。原文：Ferroelectricity with concomitant Coulomb screening in van der Waals heterostructures
原文链接：https://doi.org/10.1038/s41565-024-01846-4
转自《石墨烯研究》公众号
