西湖大学，浙江大学Nat. Commun.：单层石墨烯莫尔超晶格中的电子型铁电

研究背景

铁电材料具有电场可切换的自发极化特性，这为非易失性存储器、电传感器、射频器件、超越玻尔兹曼极限的晶体管以及突触器件等应用提供了广阔前景。在传统铁电材料中，自发电极化由阳离子和阴离子的空间分离形成，可通过外加电场（E）在晶胞内产生微小的晶格位移来实现切换。近年来，二维铁电性的出现不仅为实现非易失性器件的微型化和多功能化提供了机遇，还为发现新型铁电性开辟了新途径。二维铁电材料由于其降维特性和可设计的层间堆垛方式，展现出许多有别于传统三维材料的非常规特性。在各种二维铁电性中，界面铁电性尤其引人注目，因为它源于非极性组分的堆垛，并表现出高度可调性和室温功能性。目前，在二维材料中主要发现了两类界面铁电性：一类是滑移铁电性，其中面外电极化可通过面内层间滑移来切换，这得益于层间较弱的范德华力；另一类是在Bernal堆垛的双层石墨烯/六方氮化硼摩尔超晶格中观察到的非常规铁电性。与晶格驱动的极化不同，双层石墨烯中的铁电性被认为源于自发电子极化，这为超快速可切换存储器、多态存储和低功耗神经形态器件提供了有前景的应用。然而，表现出电子铁电性的二维材料仍然极其罕见，仅限于与六方氮化硼具有特定排列的双层石墨烯结构。

双层石墨烯中非常规铁电性的起源仍然难以捉摸。先前的理解认为它与层极化的平带摩尔超晶格和可调的二次带密切相关，这一点可以从伴随的层特异性异常屏蔽效应得到证实。可切换的电子态被推测源于电荷的层极化和顶层与底层之间的层间电荷转移。这种层间电荷转移模型基于摩尔带中强烈的电子-电子相互作用。

成果介绍

鉴于此，西湖大学徐水钢团队和浙江大学辛娜研究员团队合作发表了题为“Electronic ferroelectricity in monolayer graphene moiré superlattices”的文章在Nature Communications期刊上。该工作报道了单层石墨烯摩尔超晶格中意外观察到的电子铁电性。在这种体系中，层极化本质上是不存在的，线性Dirac带也削弱了电子-电子相互作用，这与双层石墨烯体系形成鲜明对比。然而，本文发现在单层石墨烯中，铁电性以及栅极特异性异常屏蔽（GSAS）效应，基本上类似于双层石墨烯中的情况。单层石墨烯中的铁电性表现为标准的极化-电场（P_2D−E）滞回曲线和非典型的多态开关特性。本文结果表明，层极化并非石墨烯/六方氮化硼超晶格中观察电子铁电性的必要因素。通过进行一系列P_2D−E循环测量，揭示了这些体系中电子动力学的潜在机制。该工作的观察确立了石墨烯作为已知最薄的铁电材料的地位，丰富了这种奇妙材料的迷人特性。此外，本文的发现将推动石墨烯在具有超高迁移率的多非易失性可切换器件中的应用。

图文导读

图 1. 单层石墨烯超晶格中的铁电滞回现象。a. 具有非对称摩尔界面和双栅结构的器件示意图。b, c 在固定V_b=0时，单层石墨烯 (b) 和双层石墨烯 (c) 摩尔超晶格的四端纵向电阻R_xx随V_t的变化。d. 在固定V_b=0时，通过在不同范围 (|V_t|_max) 扫描V_t得到的R_xx随V_t的变化。e. 在固定V_t=0时，通过在不同范围 (|V_b|_max) 扫描V_b得到的R_xx随V_b的变化。

图 2. 栅极特异性异常屏蔽和扫描依赖性滞回。在每个固定V_b下正向 (a) 和反向 (b) 扫描V_t得到的R_xx双栅图。c. (a) 和 (b) 中R_xx的差值。d. (c) 对应的n_total−D图。在每个固定V_t下正向 (e) 和反向 (f) 扫描V_b得到的R_xx双栅图。g. (e) 和 (f) 中R_xx的差值。h. (g)对应的n_total−D图。

图 3. 极化-电场 (P_2D-E) 滞回回线。a. 在每个固定载流子总密度n_total下，外加电场E正向和反向扫描时霍尔载流子密度n_H的差值。b. 在固定n_total=0时，按箭头所示方向顺序扫描E测得的二维极化P_2D随E的变化。c. 采用与 (b) 相同方法测得的扫描范围依赖的P_2D-E滞回回线。d. P_r和P_s随扫描范围|E|_max的变化。e. (b) 中标记的每个过程的电荷极化和饱和示意图。

图 4. 温度依赖的铁电性和非易失性开关。在不同温度下测量的两个代表性|E|_max=80 mV nm⁻¹ (a) 和36 mV nm⁻¹(b) 的滞回回线。c. 两个代表性|E|_max =36 mV nm⁻¹和80 mV nm⁻¹下P_r的温度依赖性。d. 在交替施加两个幅值相等但符号相反的E脉冲下，测量的n_H随时间的变化。上面板显示施加的E的重复循环。e. 响应一系列E脉冲的n_H可编程测量。E脉冲被编程为交替的正负值，幅值逐渐增加。

图 5. 多功能突触器件。a. 生物突触的示意图。b. 利用本工作器件中的非易失性多态来模拟突触的长期可塑性。c 短期可塑性的模拟。

总结展望

总之，本文在单层石墨烯中发现的电子铁电性不仅丰富了这种奇特材料的丰富特性，还为探索新颖物理现象提供了新的机遇。当与石墨烯中的其他特性（如铁磁性、拓扑性和超导性）相互作用时，可能会出现非常规多铁性和拓扑铁电性等引人入胜的性质。从应用角度来看，基于单层石墨烯的非易失性存储器和突触器件在高迁移率、高稳定性和多功能性方面具有独特优势。此外，本文的石墨烯铁电器件接近二维极限，这与后摩尔定律时代的器件发展相契合。如前所述，单层石墨烯摩尔超晶格中的主要铁电特性可以在室温下保持稳定，这进一步促进了其应用前景。已经成熟发展的可量产单层石墨烯超晶格生长技术可以用于构建新型铁电器件。构建摩尔超晶格所需的六方氮化硼同时也作为介电材料，这简化了铁电器件的设计。

文献信息

Zhang, L., Ding, J., Xiang, H. et al. Electronic ferroelectricity in monolayer graphene moiré superlattices. Nat Commun 15, 10905 (2024).