扭曲的二维半导体带来新特性

扭曲二维过渡金属硫族化合物 (TMD) 显示室温铁电性

英国曼彻斯特大学国家石墨烯研究所 (NGI) 和国家物理实验室 (NPL) 的一组研究人员证明，略微扭曲的二维过渡金属硫族化合物 (TMD) 显示出室温铁电性。

这一特性与 TMD 出色的光学特性相结合，可用于构建多功能光电器件，例如具有纳米级内置存储功能的晶体管和 LED。

铁电体是具有两种或多种电极化状态的材料，可以通过施加外部电场进行可逆切换。这种材料特性非常适合非易失性存储器、微波器件、传感器和晶体管等应用。直到最近，只有厚度超过3纳米的薄膜才能实现在室温下的平面外可切换铁电体

二维异质结构

自从2004年分离出石墨烯以来，学术界的研究人员已经研究了多种新型二维材料，它们通常都有令人兴奋的特性。这些原子级薄的二维晶体可以相互堆叠，形成所谓的异质结构——具有定制功能的人造材料。

最近， NGI 的一组研究人员与 NPL 合作证明，在 2 度的扭转角以下，原子晶格会进行物理重建，以形成由局部累积应变边界隔开的完美堆叠双层区域（或畴）。对于彼此平行堆叠的两个单层，创建了镜面反射三角形域的镶嵌图案。最重要的是，两个相邻域具有不对称的晶体对称性，导致它们的电子特性不对称。

室温下的铁电开关

发表在《自然纳米技术》（ Nature Nanotechnology ）上的这项研究中，该团队证明了在双层 TMD 中低角度扭曲产生的畴结构承载了界面铁电性。开尔文探针力显微镜显示相邻域是相反极化的，并且电传输测量表明在室温下铁电开关是可靠的。

该团队继续使用来自背散射电子的信号，开发了一种增强对比度的扫描电子显微镜 (SEM) 技术。这使得在以非侵入方式对畴结构的变化进行成像时，可以在原位施加电场，从而提供了有关畴切换机制如何工作的基本信息。研究发现，分离相反极化畴的边界根据所施加电场的符号而扩展和收缩，并导致极化状态的显著重新分布。

这项工作表明，扭曲自由度可以创建具有定制和多功能特性的原子级薄光电器件。

定制二维材料的广泛范围

该研究的主要作者 Astrid Weston 说：“我们能够证明这种简单的扭曲工具可以在二维晶体中设计出新的特性，这非常令人兴奋。有了种类繁多的二维晶体可供选择，这为我们提供了几乎无限的空间来创造完美定制的人造材料。”

合著者 Eli G Castanon 补充说：“能够使用 KPFM 和 SEM 观察具有纳米厚度的结构中铁电畴的模式和行为，这非常令人兴奋。表征技术的进步，以及形成二维材料新型异质结构的广泛可能性，为许多行业实现纳米级的新功能铺平了道路。”

参考资料

'Interfacial ferroelectricity in marginally twisted 2D semiconductors' by Weston, A., Castanon, E.G., Enaldiev, V. et al; Nat. Nanotechnol. (2022)

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