物质学院薛加民组揭示转角二维铁电的新奇性质

近日，上海科技大学物质科学与技术学院薛加民课题组揭示了转角六方氮化硼层间铁电性的新奇电学性质，对二维铁电性的加深理解有重要帮助。该成果发表于国际学术期刊Advanced Materials。

铁电材料具有自发的电极化，在外加电场调控下具有铁电回滞，可应用于非易失性的铁电存储器等电子器件。近期研究发现，通过转角堆垛两个非铁电性的单层氮化硼，可以在层间构建出稳定的二维铁电性。薛加民团队率先将转角氮化硼作为铁电隧穿结，利用原子力显微镜在纳米尺度下对该体系的电子学性质进行了研究（图一），揭示了其中的非常规铁电性，包括高度空间依赖性的铁电滞回以及隧穿电阻与极化方向之间的反常关系。

图一：探针通过转角氮化硼产生隧穿电流的示意图。

研究人员发现，转角氮化硼中的铁电回滞具有高度空间依赖性（图二）。在高阻态畴上的电流电压曲线中，回滞窗口完全出现在正偏压区（图二b），呈现一种非传统的易失性。随着探测的位置靠近畴壁，回滞窗口逐渐靠近零偏压（图二c）。当探测点在畴壁上时，研究人员得到了和传统铁电材料类似的非易失性（图二d）。当远离畴壁而进入到低阻态畴之后，回滞窗口又完全移到了负偏压区（图二e，f）。这种有趣的变化展现了该体系与传统铁电的不同。

图2：a. 某个区域的原子力显微镜图。其中深色部分为高电阻态，浅色部分为低电阻态。图中圆点代表了b到f图曲线探测的位置。b-f. 取自a图中对应颜色点所在位置的电流电压曲线。相应的极化（P）和电场强度（E）的回滞曲线在插图中画出。

另一方面，传统铁电隧穿结的高低电阻态与极化方向和电极的屏蔽长度有关。理论和实验都表明，极化方向指向屏蔽长度较长的电极时，隧穿结为低阻态。然而该体系恰好与之相反。这些发现表明了转角二维铁电中蕴含的新奇性质，为其进一步研究奠定了重要的基础。

此项工作中，薛加民课题组2021级博士研究生吕铭为论文第一作者，薛加民教授为共同通讯作者。该研究由上科大、中科院上海技术物理研究所、复旦大学、日本国立材料研究所（NIMS）、华中科技大学等多家单位合作完成，上科大为第一完成单位。器件加工与测量得到了上科大物质学院软纳米平台、分析测试中心的大力协助。

文章标题：Spatially Resolved Polarization Manipulation of Ferroelectricity in Twisted hBN

文章链接：https://doi.org/10.1002/adma.202203990