二维（2D）范德华（vdW）材料由于其与硅的兼容性以及能够将极化强度保持到原子尺度的稳定性，具有制造超大规模铁电（FE）器件的潜力。然而，其固有的较弱范德华相互作用使得层与层之间容易发生滑动，这带来了超出传统铁电材料所遇到的复杂性，并给揭示复杂的切换路径带来了巨大挑战。
莱斯大学韩亦沫教授等人结合了在原位电偏压条件下进行的原子分辨率成像技术，并结合第一性原理计算，以揭示 SnSe（一种范德华族IV类单卤族化合物）的原子尺度切换机制。研究结果揭示了在这一范德华体系中，存在连续的90°切换路径和直接的180°切换路径，即从反铁电（AFE）到铁电（FE）有序状态的转变。原子尺度的调查和应变分析表明，这些切换过程同时引发层间滑动和压缩应变，尽管存在多域结构，但晶格仍保持完整。这些发现阐明了原子尺度下的范德华铁电切换动态，并为二维铁电纳米器件的合理设计奠定了基础。
相关工作以《Revealing atomic-scale switching pathways in van der Waals ferroelectrics》为题在《Science Advances》上发表论文。
图1 vdW SnSe的完整切换路径
单层SnSe的原子模型展示了从平面视角（图1A）来看，Sn离子与Se离子之间的相对位移情况，这打破了中心对称性，并在x轴方向产生了平面内自发极化。图1B展示了单层SnSe的侧视图，对应于扶椅状（x轴，长轴）和锯齿状（y轴，短轴）结构。当SnSe扩展为多层系统时，堆叠结构与相邻层之间的极化顺序紧密耦合。不同堆叠结构的FE（图1C）和AFE构型的SnSe的能态图显示，存在有限数量的能量有利状态。
如图1C中的插图所示，AA、AB、AC和AD层叠结构分别由相邻层中Sn到Sn的相对层间滑动距离（x，y）（即（0，0）、（0.5a，0）、（0，0.5b）和（0.5a，0.5b））所定义。从AB′AFE的基态出发，计算了切换至AC和AB FE状态的路径（图1C中的绿色虚线）及其对应的能垒（图1D）。为了简化路径的描述，将单个SnSe层内电偶极子的切换定义为“层内极化切换”，而相邻层之间的相对位移则定义为“层间滑动”（图1E）。
本研究通过结合原位原子尺度成像与第一性原理计算，系统揭示了SnSe中能量有利的极化切换路径。研究发现极化翻转、层间滑移与晶格应变之间的本征耦合作用，导致从反铁电相到铁电相两种切换路径的共存。鉴于二维铁电材料中普遍存在的vdW层间相互作用，该研究为不同堆叠构型铁电相的热力学竞争、以及具有不同层间滑移距离的切换路径之间的动力学竞争，提供了直接的原子尺度证据。这些关于底层切换机制的深入理解，为基于MX的纳米电子应用（包括非易失性存储器、逻辑晶体管、非线性光电器件及神经形态系统）奠定了理论基础。
Revealing atomic-scale switching pathways in van der Waals ferroelectrics，Science Advances，2025.
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adw3295
（来源：网络版权属原作者 谨致谢意）
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