铁电性是一种由电偶极矩自发排列导致的集体极化效应，并且其极化状态可被外部电场翻转。铁电场效应晶体管被认为是下一代非易失性存储器的理想候选者，具有无损读取和快速重复写入的优势，其非易失性功能通过铁电层的双稳态极化来实现。传统铁电材料多为三维钙钛矿结构的氧化物，如BaTiO3, PbTiO3和BiFeO3等，它们通常为带隙大且迁移率低的绝缘体，难以与现有的硅基半导体器件相兼容。近年来，二维范德瓦尔斯铁电材料因其原子级平整的界面、弱层间相互作用，且多为带隙适中和迁移率高的半导体，而受到人们的广泛关注。二维铁电体从产生机理上可以分为两大类，一类是离子位移诱导的本征铁电体，如SnTe, CuInP2S6, In2Se3, Td-MoTe2等；另一类是层间滑移诱导的滑移铁电体，如双层堆垛h-BN, 1T'-ReS2, TMDs等。然而，由于受到晶格对称性的限制，本征二维铁电体比较少见，而在晶体结构中心对称或镜面对称的二维材料中尚未发现铁电性。滑移铁电性只能出现在双层或多层体系中，通常表现为面外极化且极化强度较低。因此，在不同晶体结构中探索二维铁电性，不仅可以拓展铁电材料家族，也可以进一步深入理解二维铁电性的产生机制。
全球物理科学研究网/北京凝聚态物理国家研究中心表面国家重点实验室吴克辉研究员和陈岚研究员课题组(SF09组)长期专注于二维体系的生长和新奇物态调控，近期在二维铁电体系研究方面取得了阶段性进展，如在二维铁电材料α-In2Se3中实现巨带隙工程 (J. Phys. Chem. Lett. 13, 3261 (2022))，在二维铋中发现单质铁电态 (Nature 617, 67-72 (2023))等。最近，他们与浙江大学的陆赟豪教授课题组，以及国家纳米科学中心王振兴研究员课题组合作，在探索新型二维铁电材料方面取得了突破：在晶体结构镜面对称的单层GaSe中发现由层内滑移导致的二维铁电性。
SF09组的李文辉同学在陈岚研究员和吴克辉研究员的指导下，通过原子力显微镜在少层GaSe中观测到室温铁电性。该铁电性甚至在具有镜面对称结构的单层结构中依然存在，表现为面外和面内相互关联的电偶极化。通过加电场的非原位扫描透射电镜（STEM）实验，确定了GaSe在铁电极化前后其Se亚单层中原子发生了相对层内滑移，由此推测局域镜面对称性结构被打破，并导致电偶极矩自发排列，从而出现铁电性。浙江大学的张瑄琳同学在陆赟豪教授指导下，通过第一性原理计算进一步确认了单层GaSe中铁电性的起源，并给出铁电相变过程遵循亚稳态的三势阱能量模型。国家纳米科学中心的杨佳同学在王振兴研究员的指导下，制备了基于GaSe纳米片作为沟道材料的场效应晶体管，展现出非易失性存储功能，具有较高的电流开关比，高低阻态切换表现出优异的可逆性和可重复性。
该工作首次揭示了一种新型的二维铁电性产生机制，即通过层内滑移在镜面对称结构中实现铁电性，并为该二维铁电材料在新型非易失性存储器件、纳米电子学和光电子学中的潜在应用提供了更多可能性。相关研究结果以“Emergence of ferroelectricity in a nonferroelectric monolayer”为题发表在Nature Communications, 14, 2757 (2023)。中科院研究网李文辉同学、浙江大学张瑄琳同学和国家纳米科学中心杨佳同学为该论文共同第一作者。陆赟豪教授、吴克辉研究员和陈岚研究员为该论文共同通讯作者。该工作得到了科技部、国家自然科学基金委、中国科学院和北京市自然科学基金的资助和支持。
图一、GaSe的晶体结构和表征。
图二、GaSe中二维铁电性的实验探测。
图三、GaSe中二维铁电性的机理研究。
图四、GaSe场效应晶体管的非易失性。