铁电材料由于具有双稳态的特性，在非易失性存储器、制动器和负电容场效应晶体管等方面具有广泛的应用。随着现代集成电路工艺的迅速发展，铁电材料的尺度也在不断缩减。然而由于本征尺寸效应、表面效应、基底应力等作用的存在，使得传统铁电材料在厚度达到数个纳米时，其自发极化将会消失。二维材料由于具有独特的材料结构特性，导致了量子限域效应、长程库仑力截断等效应的出现，也为研究铁电极化新机制提供了良好的契机。如何在低维度下获得高性能的铁电材料成为开发新型纳米铁电器件的一大挑战。 针对上述挑战，电子科技大学刘富才教授联合新加坡南洋理工大学刘政教授、新加坡科技局高性能研究所张永伟教授、北京大学赵晓续教授、南京大学张琦教授等研究团队 在半导体型滑移铁电材料的电学输运性质和材料层数依赖特性等方面的研究取得突破。研究团队采用双栅极场效应晶体管器件的电学输运表征，结合第一性原理计算，首次对多层3R相二硫化钼材料的滑移铁电极化翻转动力学进行了系统研究，在多层3R相二硫化钼中发现了反常极化态，并实现了层数依赖的滑移铁电极化调控。该成果对推动滑移铁电极化调控、多态铁电存储和存算一体器件应用等方面的研究具有重要意义。 研究团队发现3R相二硫化钼表现出很高的铁电相变温度（高于650 K）以及对载流子浓度变化具有良好的鲁棒性。在多层（大于两层）3R相二硫化钼中，观察到稳定的、可调控的反常极化态（如图1a-d所示）。这些反常极化态来自于滑移铁电独特的反转机制，并起源于层间偶极子在面外方向上的相互耦合作用。基于所观察到的反常极化态，论文针对滑移铁电效应的极化反转机制提出了“反平行极化模型”（图1e），很好地解释了为何在实验中多层（大于两层）3R相二硫化钼能观察到反常极化态。
图1. (a)-(c) 在三角波（a中的插图所示）电场作用下，不同层厚的3R相二硫化钼双栅极场效应晶体管在开场（上图）和零场（下图）中漏电流均值随着外加电场大小的变化趋势。(d) 各个层厚的晶体管中的起始态、中间态和终态的稳定性。(e)“反平行极化模型”示意图，红色和蓝色箭头分别代表朝上和朝下的偶极子。
为进一步验证“反平行极化模型”，论文利用密度泛函理论（density functional theory） ，对3R相二硫化钼的铁电极化反转过程进行了模拟。模拟中，以三层3R相二硫化钼为例，详细讨论了其滑移动力学，揭示了背后的物理原因。如图2所示，在遍历了三层3R相二硫化钼中所有可能的滑移方式（共三类）后，可以看出分层滑移（图2a-c）所需要的能量是最小的。通过分层滑移，可以将势垒降至最小，同时在多个势垒中间能够形成稳定的能谷。这些能谷对应了反极化态，并为实验结果提供了理论依据(图2d）。同时，该模型在任意层厚的3R相二硫化钼中是普适的（图2e-f）。将这个模型推广到N层的3R相二硫化钼中，可以给出系统的中间态个数、中间态的极化强度在极化反转过程中与层厚（N）的关系(图2g)，这不仅仅为实验中观察到的反常态和论文中提出的“反平行极化模型”提供了理论支撑，同时为未来基于滑移铁电效应设计的多态铁电器件提供了指导方针。 图2. (a)-(c) 三层3R相二硫化钼的三类滑移方式中的势能面。类一，一次只有一层原子滑动；类二，不相邻的两层原子同时滑动；类三，相邻的两层原子同时滑动。(d) 三类滑移方式中，每一类滑移方式的滑移过程示意图。(e)-(f) 不同层厚的3R相二硫化钼在分层滑移过程中产生的势垒情况和各个极化态的极化强度。(g) 将该模型推广到N层中各个极化态的个数、总极化态个数随层厚的变化情况。
该成果近日以“Sliding induced multiple polarization states in two-dimensional ferroelectrics” 为题发表于Nature Communications 上，论文共同第一作者为蒙鹏、武亚则、卞仁吉、潘二；文章通讯作者为电子科技大学刘富才教授、新加坡南洋理工大学刘政教授以及新加坡科技局高性能研究所张永伟教授。Nature Review Materials 以“New insight in sliding ferroelectricity” 为题对本论文进行了亮点介绍。该工作受到了国家自然基金委、国家重点研发计划、四川省科技计划等项目资助。
通讯作者
刘富才 ，电子科技大学光电科学与工程学院教授，博士生导师。 入选四川省特聘专家、四川省第十三批学术与技术带头人。近年来开展新型低维信息材料与器件的研究，主持国家重点研发计划、国家自然基金委等科研项目。以第一(共一)和(共同)通讯作者身份在Science Adv.，Nature Commun.， Adv. Mater.， Nat. Sci. Rev. 等期刊发表论文40余篇，论文引用数6000 余次，九篇文章入选ESI 高被引论文。
通讯作者
刘政 ，南洋理工大学材料科学与工程学院教授、新加坡材料学会讲席教授。2005年获得本科毕业于南开大学物理学士学位，2010 获得国科大博士学位（师从国家纳米科学中心孙连峰研究员），之后在Rice 大学进行博士后研究（师从PM Ajayan 和楼军教授）。2013 年年底，以南洋助理教授入职新加坡南洋理工大学，现任南洋理工大学材料科学与工程学院教授、新加坡材料学会讲席教授。 目前的主要研究方向为二维材料的合成以及器件和能源方面的应用，发表学术文章200余篇。 其研究工作被大量主流媒体报道，包括《人民日报》、《科技日报》、《海峡时报》、《日本经济新聞》、《纽约时报》等。 截止目前，总引用量超过30000次，h-index超过90。 2012年获得世界科技奖能源类最终提名。 2013年获得新加坡国立基金会会士以及南洋助理教授头衔。 2018年获得新加坡青年科学家奖，同年获得南洋理工大学青年研究奖，以及ICON-2DMAT青年科学家奖。 2019年荣获新加坡材料学会讲席教授头衔，同年获得亚洲科学之星。 2020年获得 ACS Nano Rising Stars Lectureship Award。2018-2021 年连续入选高引科学家名单。
通讯作者
1986、1989、1992 年在西北工业大学分别获得工程学士、硕士和博士学位，之后在中国科学院力学研究所、美国Brown 大学、新加坡科技局材料研究与工程所从事科学研究。2001 年入职新加坡国立大学材料科学与工程系从事科研与教学工作。2010 年入职新加坡科技局高性能计算所。现兼任新加坡国立大学客座教授和新加坡技术与设计大学客座教授。 目前的主要研究方向为二维材料的生长、物理性质以及器件，再生能源材料，新型合金材料设计和增材制造。发表学术文章500多余篇。截止目前，总引用量超过36000 次，h-index 为88。2018-2022 年连续入选高引用科学家名单。2020年获得新加坡物理学会研究奖。2021年获得新加坡科技局科学工程委员会核心研究基金奖。2022年获得新加坡科技局Distinguished Institute Fellow 。2023年获得美国工程科学学会Fellow 。
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