近日，beat365官方网站凝聚态物理與材料物理研究所、人工微結構和介觀物理國家重點實驗室路建明、甘子钊與其他合作者通過構築單層石墨烯/氮化硼等多種二維異質結，探索帶有“庫倫屏蔽”效應的非易失性電場調控的物理機制，發現它起源于氮化硼内部的滑移鐵電。2025年1月15日，相關研究成果以“範德瓦爾斯異質結中的庫倫屏蔽型鐵電”（ Ferroelectricity with concomitant Coulomb screening in van der Waals heterostructures）為題發表于期刊《自然•納米技術》（Nature Nanotechnology）。

将非極性範德瓦爾斯材料人工堆疊成界面鐵電，能夠以預先設計的方式實現非極性材料的電學/磁學/光學性質的非易失性開關，為構建多功能範德瓦爾斯器件提供了一條重要途徑。目前此領域有兩個研究方向：一是依賴于非中心對稱堆疊的滑動鐵電性，它是晶格驅動的。通過層間滑動實現極化方向切換，保證了良好的重複性和耐用性；二是在晶格方向對齊的雙層石墨烯/氮化硼（BN）異質結構中觀察到的伴随庫侖屏蔽的鐵電性，往往歸因于電子相關性引起的層間電荷轉移。特别是後者，最近已被證明能夠調控超導性和電子關聯相，還可以作為神經突觸晶體管演示多種生物模拟神經形态功能。迄今為止，能夠構築庫倫屏蔽型異質結的核心材料僅限于貝納爾堆疊雙層石墨烯、轉角雙層石墨烯和BN插層的雙層石墨烯。一個自然的問題是，為什麼（或者說，是否）雙層石墨烯在鐵電性方面具有獨特性？此外，本課題組之前的工作（Nat. Commun. 13, 6241 (2022)）指出，極化電荷密度超過了莫爾能帶能夠容納電子的總量，這與關聯電子驅動層間轉移機制相矛盾。在該機制中，在位電子-電子排斥作用驅動莫爾能帶的一半電子從一層到另一層，故極化電荷總量不會超過莫爾能帶的50%。因此，闡明其潛在物理機制，并将其擴展到具有磁性、超導性和拓撲性質的其他範德瓦爾斯材料，具有重要的物理意義和應用價值。

最近在少數層WTe₂、MoTe₂和多層轉角MoS₂等鐵電異質結中發現了巡遊電子和電荷極化态共存，為研究庫倫屏蔽型鐵電提供了新的視角：（1）雖然鐵電極化态可以通過栅極切換，但鐵電體内部的巡遊電子會對栅極進行庫倫屏蔽，從而在電學上隔離了探測器（比如石墨烯）；（2）鐵電體的電荷極化場作為有效的中間栅極，單獨控制探測器的電子态。這些啟示，再加上電場驅動極化動力學的微觀表征，為解決長久以來的庫倫型鐵電物理機制難題提供了新的機遇。

近日路建明團隊發現了在BN/單層石墨烯/BN以及BN/WSe₂/單層石墨烯/WSe₂/BN異質結構中觀察到的具有庫侖屏蔽的鐵電現象。其中WSe₂封裝避免了莫爾超晶格的形成，從而消除了石墨烯中電子的強關聯性，鐵電性應源自所使用的特定BN晶體。因此，我們将其歸因于BN層之間非中心對稱堆疊引起的界面滑移鐵電。為了證實這一觀點，課題組構建了一個由單層石墨烯作為探測器和多層轉角過渡金屬硫族化物（MoS₂）作為栅極介電層一部分的異質結構。在該器件中複現的鐵電回滞現象揭示了其工作機制的關鍵要素：導電性滑動鐵電。在這種情況下，栅極産生的電場自然而然地被導電性鐵電體屏蔽，因此石墨烯僅受到鐵電極化場的作用。當栅極電壓小于矯頑場時，石墨烯的狀态保持恒定，即處于庫倫屏蔽态或者栅極“不工作”狀态；當栅極電壓超過矯頑場後，極化态反轉的過程中，石墨烯的電子/空穴摻雜濃度發生改變，即栅極“正常”工作狀态。

此工作回答了一個重要問題：不管是雙層還是單層石墨烯，隻要對栅極電場有響應，都能夠以電學傳感器的角色集成在庫倫屏蔽型鐵電異質結中發揮功能。因此，大大緩解了鐵電器件構建方面對材料的嚴格限制，同時此器件也繼承了滑移鐵電穩健性極化反轉和豐富材料選擇的優點，為下一代非易失性量子器件構築和調控提供新的技術支持。

圖1.單層石墨烯異質結的鐵電性表征

圖2.人工構造多層轉角MoS₂作為栅極一部分，非易失性調控單層石墨烯電阻，複現庫倫屏蔽型鐵電現象。

圖3.栅極調控過程中的“慣性”行為，與瞬時響應的電子行為相悖，預示着器件中存在晶格移動。右圖展示了不同晶格堆疊極化态與石墨烯電阻之間的對應關系。

beat365官方网站凝聚态物理與材料物理研究所博士後牛銳銳、博士生李卓賢、博士後韓香岩和博士生曲壯壯為該論文共同第一作者。路建明、中國科學院微電子研究所韓春蕊研究員、山西大學光電研究所韓拯教授和電子科技大學的彭波教授為該論文通訊作者。其他合作者包括中國科學院大學的周武教授、毛金海教授，複旦大學車仁超教授，上海科技大學薛加民教授，華中科技大學吳夢昊教授和beat365劉開輝教授。

文章鍊接：

https://www.nature.com/articles/s41565-024-01846-4