Science发文！理大团队又一重磅发现！_焦点速看

2023-02-08 12:09:32 香港理工大学

“具有可控电学性能的材料，尤其是可应用于便携式记忆储存装置上的材料，有着庞大的市场需求。

近日，理大团队牵头，携手来自中国人民大学、剑桥大学、南京大学的学者完成了一项关于二维铁电材料的研究。该研究在纳米级材料中实现了一种备受追捧的电行为，使材料具有宝贵的铁电特性和大规模复制的潜力，制造难度也大大降低，因此，该材料预计将受到电子制造商的青睐。相关研究成果已发表于国际学术期刊Science(《科学》)。

任何物质的原子厚度单层结构，都具有与块状物料截然不同的特性——其中最为人熟知的，要数仅有原子厚度的石墨烯。

【资料图】

而将几个原子厚度层堆叠起来，有可能产生物料在单层结构状态所不存在的新特性。理大应用物理学系纳米材料讲座教授兼系主任刘树平教授带领团队，研究了由二硫化钼(MoS2)和二硫化钨(WS2)组合的双层堆叠，观察到这种物料不仅具有压电性，还展现出铁电效应。

由理大应用物理学系刘树平教授带领的团队，研究了由二硫化钼(MoS2)和二硫化钨(WS2)组合的双层堆叠，并观察到这种物料不仅具有压电性，还展现出铁电效应。研究人员运用新的原子显微镜，发现了异质双层的原子结构。

铁电物料具有电极化本质，只要简单施加电流便可切换。由于铁电物料拥有在两种状态之间切换的能力，所以被广泛应用于感测器、电容器和数据存储。电子业界特别有兴趣开发以铁电体为基础的超薄装置，尤其希望在纳米级生产时仍能保持其特性——然而到目前为止，这仍是生产过程中的主要障碍。

与纯MoS2或WS2的单分子层相比，这两种化合物的纳米级堆叠会产生更强烈的铁电反应。研究团队通过调整堆叠角度来为双层堆叠制成不同版本，就像将一个钟面覆盖在另一个钟面上，两个钟面的12点位置对齐或移位。两类双层堆叠都表现出非常强的压电性和铁电性。

为了验证MoS2/WS2的可切换极化，研究人员完成了一项“域写入”试验。他们在三角形切片的薄物料中，建立了一个可以在原子显微镜下看到的“正方形中的正方形图案”。由于两个带极区域的电压相反，宽度约为1微米的较小内方块，与较大的外方块明显不同。

理大研究团队在原子显微镜下，发现新的纳米级铁电新材料。

有关异质结构双层(即由不同化学物质组成的两层)会产生令人意想不到的电行为，这次发现并非首次报告。然而，压电性和铁电性通常取决于相关物料的细微几何细节，意味难以保持一致性地以工业规模生产。其中，由于传统异质双层的两层具有相似但不完全相同的晶体结构，往往倾向产生摩尔纹(以一种精致的布料命名)。

摩尔纹效应非常有趣，但研究人员排除了它是使MoS2/WS2出现压电和铁电性的解释。尽管两层物料的原子间距离略有不同，但它们能够对彼此做出适应，产生了完美对齐的堆叠，完全没有出现微小扭曲或差异来促成摩尔纹的干扰。理大团队的流程包括简单地将MoS2和WS2一同“烘烤”，让两层自发堆叠。

事实上，让两层具有相同晶体结构但不同原子类型的物料完美堆叠是电性能的关键。根据物理学的解释，铁电性只有在具有一定对称性(或缺乏对称性)的情况下才能出现于此类物料中。与两个完全相同的物料层相比，堆叠起来的WS2与MoS2没有对称中心(正式名称为“反转中心”)，也缺少另外几种对称转型。这种破坏对称性的特质，让一层物料相对地滑到另一层物料时展现铁电和压电性。

刘树平教授说：“计算机记忆体等高科技行业将受惠于这种新型纳米级铁电体。这些原子厚度的双层物料具有低成本、低耗能和可靠的复制性，有望扩大制造规模，从而推动现代电子产品的前沿发展。”

刘树平教授介绍，计算机记忆体等高科技行业将受惠于理大研究发现的新型纳米级铁电体。

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