近日，光電科學(xué)與工程學(xué)院劉富才教授團(tuán)隊(duì)在《自然·通訊》(Nature Communications)上以“Observation and manipulation of two-dimensional topological polar texture confined in moiré interface”為題，發(fā)表了滑移鐵電體系拓?fù)錁O性結(jié)構(gòu)調(diào)控的最新研究成果。該研究通過壓電響應(yīng)力顯微鏡和掃描透射電子顯微鏡技術(shù)，直接觀察了轉(zhuǎn)角氮化硼系統(tǒng)中原子級厚度的拓?fù)錁O化結(jié)構(gòu)，并利用滑動開關(guān)機(jī)制和原子級厚度的優(yōu)勢，展示了對這些拓?fù)錁O化疇的非易失性操控能力。電子科技大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院為第一完成單位，電子科技大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院博士生潘二、李澤芬和楊帆為共同第一作者，劉富才教授、劉慶副教授以及南方科技大學(xué)林君浩教授、復(fù)旦大學(xué)李文武教授為共同通訊作者。

鐵電材料因其獨(dú)特的自發(fā)極化特性，在非易失性存儲器、神經(jīng)形態(tài)計(jì)算、可編程邏輯器件等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。隨著電子器件向更小尺寸、更高集成度的發(fā)展，傳統(tǒng)鐵電材料在極化調(diào)控上面臨諸多挑戰(zhàn)。拓?fù)錁O化結(jié)構(gòu)具備優(yōu)異的穩(wěn)定性和新奇的物理特性，在先進(jìn)存儲和計(jì)算應(yīng)用中具有巨大潛力。然而，其形成和操控通常依賴于特定的異質(zhì)結(jié)構(gòu)或超晶格，并受限于復(fù)雜的能量景觀，使得拓?fù)錁O化的可編程性和可拓展性大打折扣。此外，傳統(tǒng)鐵電材料在縮小至納米尺度后極化性能往往大幅衰減，難以滿足未來超低功耗信息存儲和計(jì)算技術(shù)的需求。因此，如何在原子尺度上精準(zhǔn)構(gòu)筑和調(diào)控極化結(jié)構(gòu)，成為突破鐵電材料應(yīng)用瓶頸的關(guān)鍵。近年來，滑移鐵電作為一種新型的界面鐵電極化新機(jī)理，為鐵電物理和器件研究提供了新器件，也為調(diào)控拓?fù)錁O化結(jié)構(gòu)提供了全新思路（圖1）。

圖 1 具有微小扭曲角的轉(zhuǎn)角氮化硼的原子堆疊和表面電位

在團(tuán)隊(duì)前期滑移鐵電抗疲勞特性（Science 385, 57 (2024)）、層數(shù)依賴極化調(diào)控（Nature Communications 13, 7696 (2022)）的研究基礎(chǔ)上，本研究基于高分辨顯微技術(shù)，對滑移鐵電的原子級拓?fù)錁O化結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。通過壓電響應(yīng)力顯微鏡和掃描透射電子顯微鏡的結(jié)合，清晰揭示了這一拓?fù)錁O化結(jié)構(gòu)的空間分布及其局域極化特性。研究發(fā)現(xiàn)，相較于傳統(tǒng)鐵電材料，轉(zhuǎn)角氮化硼的拓?fù)錁O化結(jié)構(gòu)不僅能穩(wěn)定存在于界面，還能通過層間滑移實(shí)現(xiàn)非易失性調(diào)控，展現(xiàn)出獨(dú)特的極化開關(guān)機(jī)制（圖2）。

圖 2轉(zhuǎn)角氮化硼中的水平壓電響應(yīng)力顯微鏡映射以及相應(yīng)面內(nèi)壓電響應(yīng)矢量圖

此外，得益于轉(zhuǎn)角氮化硼的原子級厚度和可控的層間相互作用，穩(wěn)定的極化特性可在極薄層中實(shí)現(xiàn)，突破了傳統(tǒng)鐵電材料在尺寸縮小過程中面臨的極化衰減問題。實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步表明，這種拓?fù)錁O化疇結(jié)構(gòu)可以通過外部應(yīng)變進(jìn)行動態(tài)調(diào)控，賦予其高度的可編程性和低能耗特性，為下一代智能電子器件提供了極高的設(shè)計(jì)自由度。這一研究成果不僅加深了對拓?fù)錁O化現(xiàn)象的理解，也為基于二維鐵電材料的新型電子器件設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供了全新的思路，為下一代高性能、低功耗電子技術(shù)的發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

該研究在材料表征方面得到電子科技大學(xué)分析測試中心的設(shè)備支撐和技術(shù)支持，這也是團(tuán)隊(duì)繼Science、Nature Communications之后，在分析測試中心支持下產(chǎn)出的第三篇高水平成果。研究開展受到了國家自然科學(xué)基金,國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃，四川省科技計(jì)劃等項(xiàng)目的支持。