研究背景

界面铁电性是指在非中心对称的异质结构中，由不同材料层间相互作用而产生的铁电现象。随着范德华异质结构的研究深入，界面铁电性因其在非挥发性存储、拓扑电流切换、超导性调控以及模拟神经突触响应等方面的潜在应用，成为了研究热点。然而，现有的研究主要集中在双层石墨烯和氮化硼等材料的异质结构中，且多涉及摩尔超晶格结构，这对组成材料和扭曲角度提出了较高的要求，限制了其在实际应用中的广泛使用。尤其是铁电性与伴随库伦屏蔽效应的机制仍未完全明确，尤其是如何在无摩尔界面的范德华材料中实现这一现象，成为了研究中的一大挑战。

为了解决这一问题，北京大学物理学院凝聚态物理与材料物理研究所路建明研究员、山西大学Zheng Vitto Han以及电子科技大学彭波教授合作在“Nature Nanotechnology”期刊上发表了题为“Ferroelectricity with concomitant Coulomb screening in van der Waals heterostructures”的最新论文。科学家们提出了在不同的范德华异质结构中引入铁电性与库伦屏蔽效应的新方法。通过研究单层石墨烯、氮化硼和过渡金属硫化物等材料的界面堆叠结构，研究者们发现铁电性可能源自于堆垛缺陷或非中心对称堆叠结构，而不依赖于摩尔超晶格。

具体而言，研究者通过构建BN/单层石墨烯/BN和BN/WSe₂/单层石墨烯/WSe₂/BN等异质结构，成功观察到铁电滞回现象，进一步证明铁电性与库伦屏蔽效应可以在无摩尔界面的材料中实现。这一结果为扩展铁电性材料的应用领域提供了新的思路，尤其是在集成多种功能的器件设计中，放宽了材料和设计的限制。

研究亮点

1）实验首次在无摩尔界面的不同范德华异质结构中实现了铁电性与伴随库伦屏蔽效应，得到了单层石墨烯和过渡金属硫化物（如WSe2）层中的铁电滞回响应。

2）实验通过在BN/单层石墨烯/BN以及BN/WSe₂/单层石墨烯/WSe₂/BN异质结构中进行堆叠，成功消除了摩尔超晶格效应，从而避免了石墨烯中强电子关联效应，证明了铁电性源自于BN薄片中的堆垛缺陷。

3）实验通过将含有堆垛缺陷的BN替换为多层扭曲MoS₂，观察到类似的铁电滞回现象，进一步表明滑动铁电性是导致铁电性与库伦屏蔽效应的关键因素。

4）实验通过控制铁电材料的极化场，成功实现了导电铁电材料对栅电场的屏蔽作用，从而只通过铁电极化场控制单层石墨烯的电子态，证明了滑动铁电性能够有效缓解传统设计中的材料和构建约束。

图文解读

图1: 单层石墨烯异质结构的铁电性。

图2: 在多层转角MoS₂中，观察到的铁电性。

图3: 偏振开关的动力学。

图4: 铁电性台阶Ladders 。

总结展望

在本文中，作者确立了不同范德华异质结构中观察到的铁电性与库伦屏蔽效应来源于具有有限导电性的滑动铁电体。这些发现消除了对器件构建的严格限制，例如精确的扭曲角度或组成材料的有限选择。首先，铁电异质结构中的单层石墨烯作为检测器。它不需要与封装材料晶体对齐，可以替换为任何对电场敏感的材料。例如，当使用伯纳尔双层或扭曲双层石墨烯时，它们的铁电开关效应，包括CNP峰、拓扑相和超导性，应能得到复现。其次，界面铁电性的组成层可以扩展到大量非极性范德华材料，包括氮化硼和过渡金属二硫化物（MX₂，M = Mo, W; X = S, Se, Te），只要它们被掺杂以具备导电性。随着单层材料的大规模合成和堆叠技术的进步，带有库伦屏蔽效应的铁电器件有望实现大规模阵列，用于基于存储的网络，推动具有仿生功能或内存计算的实际应用的实现。

原文详情：

Niu, R., Li, Z., Han, X. et al. Ferroelectricity with concomitant Coulomb screening in van der Waals heterostructures. Nat. Nanotechnol. (2025). https://doi.org/10.1038/s41565-024-01846-4