理大研究发现纳米级铁电新材料 具低成本、低耗能优点 可应用于计算机记忆体

具有可控电学性能的物料需求甚殷，尤其应用于便携式的记忆储存装置上。由香港理工大学（理大）率领的团队在一项新研究中，实现了一种备受追捧的纳米级物料电行为。由于这种宝贵铁电特性能，有潜力进行大规模复制，而且难度被降至前所未及的水平，预料电子制造商将对此大感兴趣。

任何物质的原子厚度单层结构，都具有与块状物料截然不同的特性，其中最为人熟知的，要数仅有原子厚度的石墨烯。将几个原子厚度层堆叠起来，有可能产生于单层结构时不存在的新特性。 理大应用物理学系纳米材料讲座教授兼系主任刘树平教授领导的团队，研究了由二硫化钼（MoS₂）和二硫化钨（WS₂）合组的双层堆叠，观察到这种物料不仅具有压电性，还展现出铁电效应，有关发现令人雀跃。

铁电物料具有电极化本质，只要简单施加电流便可切换。由于铁电物料拥有在两种状态之间切换的能力，所以被广泛应用于感测器、电容器和数据存储。电子业特别有兴趣开发以铁电体为基础的超薄装置，尤其希望在纳米级生产时仍能保持其特性。然而到目前为止，这仍是主要障碍。

与纯 MoS₂ 或 WS₂ 的单分子层相比，这两种化合物的纳米级堆叠产生了强烈的铁电反应。研究团队通过调整堆叠角度来为双层堆叠制成不同版本，做法好像把一个钟面覆盖在另一个钟面上，两个钟面的 12 时位置对齐或移位。两类双层堆叠都表现出非常强的压电性和铁电性。

为了验证 MoS₂/WS₂ 的可切换极化，研究人员完成了令人刮目相看的「域写入」试验。他们在三角形切片的薄物料中，建立了一个可以在原子显微镜下看到的正方形中的正方形图案。由于两个带极区域的电压相反，宽度约为 1 微米的较小内方块，与较大的外方块明显不同。

有关异质结构双层（即由不同化学物质组成的两层）会产生意想不到的电行为，这次发现并非首次报告。然而，压电性和铁电性通常取决于相关物料的细微几何细节，意味难以保持一致性地以工业规模生产。其中，由于传统异质双层的两层具有相似但不完全相同的晶体结构，往往倾向产生摩尔纹（以一种精致的布料命名）。

摩尔纹效应非常有趣，但研究人员排除了它是令 MoS₂ / WS₂ 出现压电和铁电性的解释。尽管两层物料的原子间距离略有不同，但它们对彼此作出适应，产生了完美对齐的堆叠，完全没有出现微小扭曲或差异来促成摩尔纹的干扰。理大团队的流程包括简单地将 MoS₂ 和 WS₂ 一同「烘烤」，让两层自发堆叠。

事实上，让两层具有相同晶体结构但不同原子类型的物料完美堆叠是电性能的关键。根据物理学的解释，铁电性只有在具有一定对称性（或缺乏对称性）的情况下才能出现于此类物料中。与两个完全相同的物料层相比，堆叠起来的 WS₂ 与 MoS₂ 没有对称中心（正式名称为反转中心），也缺少另外几种对称转型。这种破坏对称性的特质，让一层物料相对地滑到另一层物料时展现铁电和压电性。

刘树平教授说：「计算机记忆体等高科技行业将受惠于这种新型纳米级铁电体。这些原子厚度的双层物料具有低成本、低耗能和可靠的复制性，有望扩大制造规模，从而推动现代电子产品的前沿发展。」

今次二维铁电材料研究，理大团队联同中国人民大学、剑桥大学，以及南京大学学者合作。有关研究发现刊载于国际学术期刊《科学》（Science）。

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