今年是铁电体的发现 100 周年，铁电这一现象继续丰富我们对物理和材料科学许多领域的理解，并不断创造子领域。所有发现的铁电体都仅限于那些表现出块状晶体的极性空间群的铁电体，该空间群支持两个或多个具有不同电极化方向的拓扑等效变体。
本文概括了Vizner Stern 、 Woods 等人的工作，研究人员可以通过人工堆叠非极性的二维（2D）材料，氮化硼（BN）来设计铁电性。相邻 BN 单层之间相对较弱的范德华 (vdW) 耦合允许它们以亚稳态非中心对称配位平行排列，支持具有面外电极化的二维铁电性。这些发现为从母体非极性化合物中设计二维铁电体提供了机会。
由于可切换的电极化，铁电材料可用于各种技术应用 。对小型化电子设备的持续追求激发了对在减小的尺寸上表现出可逆极化的合适材料的寻找。尽管钙钛矿氧化物已被广泛用于探索薄膜结构中的铁电性，并且在某些情况下显示出有希望的结果，但它们仍存在一些局限性。其中包括薄膜铁电性对边界条件的强烈敏感性，主要是由于钙钛矿结构继承的悬空键和氧的化学计量学，这通常不容易控制。
vDW 材料 的兴起为材料科学开辟了机会，包括对 2D 铁电等集体现象的研究 。2D vdW 铁电体很有吸引力，因为它们具有均匀的原子厚度、没有悬空键以及与其他 vdW 材料集成的能力，从而实现有用的功能。例如，结合石墨烯等高迁移率材料，2D vdW 铁电体可用于铁电场效应晶体管或用作铁电隧道结中的超薄势垒 。
然而，与钙钛矿氧化物类似，2D vdW 材料中铁电性的出现受到块状晶体极性空间群要求的限制。在多层晶体中，如六方氮化硼 (h-BN) 和过渡金属二硫属化物，中心对称 vdW 结构阻止了极化，该结构具有比其他堆叠配置更低的能量。安田等人。和 Vizner Stern 等人。通过证明本质上中心对称的 vdW 材料 h-BN 可以在原子尺度上设计成铁电体来弥补这一限制。
块状 h-BN 晶体具有层状结构，其中每个 BN 单层显示蜂窝配位，类似于石墨烯，但具有两个由硼 (B) 和氮 (N) 组成的交错亚晶格。大块 h-BN 表现出 AA’ 堆叠（见图），其中顶部 BN 单层相对于底部旋转 180°，因此 B (N) 原子位于 N (B) 原子的顶部，这使得 h -BN晶体中心对称。不同的 BN 配位涉及 AA 堆叠，其中两个 BN 单层镜像对称堆叠而不旋转。然而，这种堆叠对于沿键的 B-N 键长位移是不稳定的，这形成了 AB 或 BA 堆叠配置，其中一半原子彼此叠置，另一半面向六边形 的空心。AB 和 BA 结构破坏了反转对称性并表现出面外极化，这可以通过位于 B 原子顶部的 N 原子的 2pz 轨道的畸变来定性地理解 。AB 和 BA 堆叠通过镜面反射相关，因此具有相反的偏振。
为了实现 AB (BA) 堆叠的 BN 双层，撕掉剥离的 BN 单层或将少量单层 h-BN 薄片分成两片，然后以精确控制的扭曲角将它们压在彼此的顶部。零扭曲角支持 AB (BA) 堆叠，而小的有限扭曲会施加层间平移，形成由三个几乎相当的堆叠配置 AB、BA 和 AA 组成的莫尔图案。结构松弛将这种莫尔图案重建为由突然的不等量畴壁和适应全局扭曲的拓扑 AA 缺陷分隔的相称 AB 和 BA 堆叠的大三角形域。
通过使用压电力显微镜 (PFM) 和开尔文探针力显微镜 (KPFM) 证明了扭曲 BN 的交错极化。两种扫描探针方法都显示了一系列三角形区域，它们延伸了几平方微米，并在压电响应或静电势中表现出交替对比，从而表明 AB 和 BA 域的面外极化相反。在 BN 单层和 AA’ 堆叠区域中三角形对比度消失，证实极化是由 AB (BA) 层间堆叠驱动的。
值得注意的是，作者表明可以通过施加的偏置电压来切换自发极化。安田等人。通过测量沉积在单个 AB (BA) 域上的石墨烯片的电阻来探测极化转换，以检测由 BN 双层极化引起的额外电荷载流子。电阻与栅极电压的正向和反向扫描显示出明显的滞后，表明由极化切换驱动的双稳态。与此同时，Vizner Stern 等人。通过扫描单个 AB (BA) 域上方的偏置尖端来检测偏振切换。他们观察到畴壁的重新分布以通过偏置尖端下的电场来定向局部极化。用相反极性的尖端扫描同一区域使 KPFM 收缩反转，表明极化切换是完全可逆的。
发现极化转换是通过畴成核和生长机制发生的，这让人想起已知发生在钙钛矿氧化物中的机制。然而，在钙钛矿中，两种极化状态的区别在于紧密键合原子的微小位移，而在 AB (BA) 堆叠的 BN 中，它们的区别在于沿弱耦合界面的双 B-N 键长平移。因此，极化反转可以被视为一个 BN 单层相对于另一个通过畴壁运动发生的横向滑动。
Vizner Stern 、 Woods 等人最近的工作就将铁电合成确定为一个新兴的研究领域。这些发现为二维铁电的基础研究提供了新的机会，并为创新设备应用铺平了道路。所提出的二维铁电体工程可以从 BN 扩展到其他 vdW 材料，例如过渡金属二硫属化物。合成的二维铁电体可以与其他 vdW 材料结合，使其电子、自旋电子和光学响应功能化。总的来说，毫无疑问，这个新兴领域充满了机遇，令人兴奋的新发展即将到来。
文献链接：https://doi.org/10.1126/science.abi7296
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