界面鐵電性出現(xiàn)在由非極性范德華 (vdW) 層組成的非中心對稱異質(zhì)結(jié)構(gòu)中。伴隨庫侖屏蔽的鐵電性可以切換拓?fù)潆娏骰虺瑢?dǎo)性并模擬突觸響應(yīng)。到目前為止，它僅在雙層石墨烯莫爾超晶格中實現(xiàn)，對組成材料和扭曲角度提出了嚴(yán)格的要求。在這里，我們報告了在不同的 vdW 異質(zhì)結(jié)構(gòu)中伴隨庫侖屏蔽的鐵電性，這些異質(zhì)結(jié)構(gòu)不含莫爾界面，包含單層石墨烯、氮化硼 (BN) 和過渡金屬硫?qū)倩飳印Ｎ覀冊?nbsp;BN/單層石墨烯/BN 以及 BN/WSe2/單層石墨烯/WSe2/BN 異質(zhì)結(jié)構(gòu)中觀察到鐵電滯后響應(yīng)，并且在用多層扭曲 MoS2（一種典型的滑動鐵電體）替換含有堆垛層錯的 BN 時也觀察到了鐵電滯后響應(yīng)。我們的控制實驗排除了其他機(jī)制，因此我們得出結(jié)論，鐵電性源自 BN 薄片中的堆垛層錯。當(dāng)導(dǎo)電鐵電體以電方式屏蔽柵極場并通過其極化場控制單層石墨烯時，就會發(fā)生滯后開關(guān)。我們的結(jié)果放寬了基于滑動鐵電性的設(shè)備應(yīng)用的一些材料和設(shè)計限制，并且應(yīng)該能夠?qū)崿F(xiàn)存儲設(shè)備或與具有超導(dǎo)、拓?fù)浠虼判缘母鞣N范德華材料的組合。
圖 1. 單層石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的鐵電性。a，具有兩個不同部分的器件的光學(xué)特性，并附有結(jié)構(gòu)示意圖。單層石墨烯 (MLG) 以紅色突出顯示。請注意，表現(xiàn)出鐵電性的頂部 BN (Fe-BN) 與底部六邊形 BN (h-BN) 具有不同的符號。b,c，對于 A 部分和 B 部分，通過掃描頂部柵極 (c) 可以觀察到磁滯電阻曲線，但通過掃描底部柵極 (b) 則觀察不到。d，A 部分的磁場 B = 9 T 的二維電阻映射（參見插圖中的掃描配置）。CNP 軌跡的近乎垂直的特征代表了庫侖屏蔽機(jī)制，其中 Vt 似乎停止工作。朗道能級光譜還可以實現(xiàn)低電阻電子狀態(tài)的可視化。顯然，庫侖篩選取決于特定的柵極，即該器件中的 Vt（用紅色三角形表示），而不是由頂柵極和底柵極貢獻(xiàn)的位移場。插圖：柵極掃描圖。e，A 部分頂柵極向前和向后掃描之間的磁滯回線。弛豫時間約為 4.8 分鐘（參見補(bǔ)充部分 1 中補(bǔ)充圖 1j 中的測量值）。插圖：兩種掃描配置。f，在另一個具有長弛豫時間的器件中，頂柵極向前和向后掃描之間的磁滯回線很顯著。插圖：兩種掃描配置和器件示意圖（參見補(bǔ)充部分 2 中的更多特性）。d，BN 薄片的厚度。
圖 2. 在多層扭曲 MoS2 中觀察到的鐵電性。a，石墨烯-MoS2 異質(zhì)結(jié)構(gòu)的器件示意圖。由于扭曲角度和應(yīng)變的變化，每個界面處的反鐵電疇將有所不同（示意性地繪制了兩個界面）。但是，幾乎解耦的界面（在補(bǔ)充第 10 節(jié)中證明）允許通過對所有界面進(jìn)行數(shù)值平均來評估凈極化 P。說明了電場 Ec 對疇極化的切換動力學(xué)。b，庫侖屏蔽的工作機(jī)制。器件示意圖突出顯示了三種代表性狀態(tài)，其中 t-MoS2 指的是 a 中所示的多層扭曲 MoS2。門控場（h-BN 層中的黑色箭頭）被本征電子摻雜的 MoS2 屏蔽，但可以極化由 MoS2 制成的界面鐵電體。鐵電極化場 P 隨后改變了頂部單層石墨烯的狀態(tài)。這里我們展示了 E > E+c（頂部，P > 0）、0 < E < E+c（中間，P = 0）和 E−c < E < 0（底部，P = 0）的情況，其中 P = 0 表示石墨烯未摻雜。c，頂部：在 Vb 上來回掃描時觀察到磁滯傳遞曲線。我們強(qiáng)調(diào)，磁滯不是鐵電 BN 的結(jié)果，因為沒有扭曲 MoS2 的另一部分石墨烯沒有顯示任何磁滯（底部）。d，顯示庫侖屏蔽機(jī)制的完整相圖。極性疇網(wǎng)絡(luò)的疊加示意圖針對單個扭曲界面；然而，由于相鄰界面的解耦，多層樣品中的疇壁運動可以用單個界面的運動來表示。對應(yīng)于 b 中的示意圖，三個代表性狀態(tài)用黑色圓圈突出顯示。插圖：柵極掃描方案。
圖3. 極化切換動力學(xué)。a–j，通過改變正柵極的掃描范圍來表征縱向電阻（a–e）和霍爾載流子密度（f–j）。這里，Vb 的負(fù)極限固定在 −10 V，正極限分別設(shè)置為 2 V、4 V、4.5 V、5 V 和 8 V。雖然在 a 中未實現(xiàn)正極化，但庫侖屏蔽恰好發(fā)生在 b 中的 CNP 位置上。疇壁動力學(xué)可以在 c 中得到最好的呈現(xiàn)，其中在正向掃描期間未訪問 CNP，但電子狀態(tài)在反向掃描過程中繼續(xù)將 CNP 從空穴摻雜傳遞到電子摻雜（如 h 所示）。在 i 中，底柵的屏蔽電容（Cs）用黑色虛線擬合，這與預(yù)期的 10 nm h-BN（紅色虛線）的計算值不同。 k、箭頭（頂部，Rxx）和極性域（底部，nH）在整個掃描范圍內(nèi)變化的電荷極化圖示。
圖 4. 鐵電階梯。a、在多層扭曲 MoS2 器件的相圖中觀察到的多個庫侖屏蔽階梯。附有極性疇網(wǎng)絡(luò)層分辨切換的示意圖，其中較小的疇需要較高的切換場。b、典型的 BN-石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)的相圖，其中較少的階梯表示極性疇的分布更均勻。插圖：柵極掃描配置。請注意，這里在不同類型的器件中使用統(tǒng)一的 Vferroelectric 和 Vnormal 標(biāo)記，分別代表有和沒有磁滯回線的柵極。
相關(guān)科研成果由北京大學(xué)Jianming Lu等人于2025年發(fā)表在Nature Nanotechnology上。原文：Ferroelectricity with concomitant Coulomb screening in van der Waals heterostructures
原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41565-024-01846-4
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
