具有強健極化到原子厚度的二維(2D)鐵電體，為功能異質結構提供了基礎。但由于層狀極性晶體的要求，目前實驗上的實現，仍然具有挑戰性。

在此，來自美國麻省理工學院的Pablo Jarillo-Herrero等研究者，展示了一個合理的設計方法，可利用范德瓦爾斯組裝將2D鐵電體從非鐵電母體化合物中分離出來。相關論文以題為“Stacking-engineeredferroelectricity in bilayer boron nitride”發表在Science上。

論文鏈接：https://science.sciencemag.org/content/372/6549/1458

具有電場可切換極化的鐵電材料，提供了廣泛的技術應用，如非易失性存儲器、高介電常數介質、機電致動器和熱釋電傳感器等。細化垂直鐵電體是實現鐵電非易失性存儲器的重要步驟之一，而這是追求更密集存儲和更低功耗的一部分。然而，由于退極化效應，室溫下的鐵電性到原子厚度是很難獲得的，直到最近開發出三個系列材料：外延鈣鈦礦、HfO2基鐵電體和低維范德華(vdW)鐵電體。其中，2D vdW鐵電體為將石墨烯等高遷移率材料集成到鐵電場效應晶體管提供了機會，同時，由于沒有懸垂鍵而能保持其性能完整。它們均勻的原子厚度，也使其成為鐵電隧道結中鐵電隧道勢壘的理想材料。盡管二維垂直鐵電體CuInP2S6、In2Se3、MoTe2和WTe2在鐵電存儲器中的應用具有潛在重要性，但迄今為止發現的例子還很少；由于原始層狀體晶中極空間群的要求，使得候選材料受到很大的限制。

vdW組裝技術的發展，使異質結構的工程性能超越了單層的物理性能之和。例如，當石墨烯與六方氮化硼(hBN)對齊或與另一個輕微旋轉的石墨烯薄片堆疊時，其Dirac帶結構會發生顯著變化。通過對能帶結構的改進，發現了與電子相關和拓撲結構相關的各種突現現象，超出了原本能帶結構的預期。

在此，研究者證明了vdW堆積不僅改變了電子能帶結構，也改變了晶體對稱性，從而使得從非鐵電母化合物中設計出鐵電材料成為可能。研究者以BN為例，但同樣的方法也適用于其他兩部分蜂窩二維材料，如2H-型過渡金屬雙鹵族化合物(TMDs)。塊體hBN晶體實現AA′堆積，如圖1A所示。這種180°旋轉的自然堆疊順序，恢復了單層中被破壞的反轉對稱。然而，如果兩個BN單層薄片沒有旋轉堆疊(平行堆疊，P)，理論和實驗表明，從而形成了極性AB或BA的堆疊順序(圖1,B和C)。這些構型是平行堆疊形式的局部能量最小值，并以亞穩晶體結構實現。在AB (BA)層中，上層的B (N)原子位于下層的N (B)原子之上，而上層的N (B)原子位于下層六邊形中心的空位置之上。

圖1 AB-堆疊雙層BN的極化。

研究表明，平行堆疊的雙層氮化硼表現出面外電極化，并隨堆疊順序發生反轉。通過鄰接堆疊的石墨烯薄片的電阻來探測極化開關。以較小的角度扭轉氮化硼片，可以形成moiré交錯極化鐵電體，從而改變開關動力學。這種鐵電性可在室溫下保持住，同時維持石墨烯的高遷移率，為超薄非易失性存儲器的潛在應用鋪平了道路。

圖2 平行堆疊雙層BN中的鐵電開關。

圖3 雙扭曲層BN中的鐵電開關。

圖4 鐵電場效應晶體管的室溫操作。

綜上所述，本研究中所論證的vdW鐵電體和moiré鐵電體的設計方法可以推廣到其他兩部分蜂窩二維材料，例如半導體2H型TMDs，如MoS2和WSe2，金屬和超導的NbS2和NbSe2，以及III族硫族化合物，如GaS, GaSe和InSe等。這些合成鐵電體的逆對稱破缺，將通過極化開關以可調的方式耦合到電子能帶結構上。除了對每一種材料的固有屬性進行修飾所產生的有趣的物理特性之外，這種工程鐵電體和moiré系統，可能會大大擴展二維材料在電子、自旋電子和光學等應用方面的能力。