界面鐵電性出現在由非極性范德華 (vdW) 層組成的非中心對稱異質結構中。伴隨庫侖屏蔽的鐵電性可以切換拓撲電流或超導性并模擬突觸響應。到目前為止，它僅在雙層石墨烯莫爾超晶格中實現，對組成材料和扭曲角度提出了嚴格的要求。在這里，我們報告了在不同的 vdW 異質結構中伴隨庫侖屏蔽的鐵電性，這些異質結構不含莫爾界面，包含單層石墨烯、氮化硼 (BN) 和過渡金屬硫屬化物層。我們在 BN/單層石墨烯/BN 以及 BN/WSe2/單層石墨烯/WSe2/BN 異質結構中觀察到鐵電滯后響應，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。我們的控制實驗排除了其他機制，因此我們得出結論，鐵電性源自 BN 薄片中的堆垛層錯。當導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，就會發生滯后開關。我們的結果放寬了基于滑動鐵電性的設備應用的一些材料和設計限制，并且應該能夠實現存儲設備或與具有超導、拓撲或磁性的各種范德華材料的組合。
圖 1. 單層石墨烯異質結構中的鐵電性。a，具有兩個不同部分的器件的光學特性，并附有結構示意圖。單層石墨烯 (MLG) 以紅色突出顯示。請注意，表現出鐵電性的頂部 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制，其中 Vt 似乎停止工作。朗道能級光譜還可以實現低電阻電子狀態的可視化。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（參見補充部分 1 中補充圖 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 異質結構的器件示意圖。由于扭曲角度和應變的變化，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（在補充第 10 節中證明）允許通過對所有界面進行數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。b，庫侖屏蔽的工作機制。器件示意圖突出顯示了三種代表性狀態，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。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。我們強調，磁滯不是鐵電 BN 的結果，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，顯示庫侖屏蔽機制的完整相圖。極性疇網絡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。對應于 b 中的示意圖，三個代表性狀態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。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 的負極限固定在 −10 V，正極限分別設置為 2 V、4 V、4.5 V、5 V 和 8 V。雖然在 a 中未實現正極化，但庫侖屏蔽恰好發生在 b 中的 CNP 位置上。疇壁動力學可以在 c 中得到最好的呈現，其中在正向掃描期間未訪問 CNP，但電子狀態在反向掃描過程中繼續將 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。附有極性疇網絡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-石墨烯異質結構的相圖，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一的 Vferroelectric 和 Vnormal 標記，分別代表有和沒有磁滯回線的柵極。
相關科研成果由北京大學Jianming Lu等人于2025年發表在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
轉自《石墨烯研究》公眾號
