理大研究發現納米級鐵電新材料 具低成本、低耗能優點 可應用於計算機記憶體

具有可控電學性能的物料需求甚殷，尤其應用於便攜式的記憶儲存裝置上。由香港理工大學（理大）率領的團隊在一項新研究中，實現了一種備受追捧的納米級物料電行為。由於這種寶貴鐵電特性能，有潛力進行大規模複製，而且難度被降至前所未及的水平，預料電子製造商將對此大感興趣。

任何物質的原子厚度單層結構，都具有與塊狀物料截然不同的特性，其中最為人熟知的，要數僅有原子厚度的石墨烯。 將幾個原子厚度層堆疊起來，有可能產生於單層結構時不存在的新特性。理大應用物理學系納米材料講座教授兼系主任劉樹平教授領導的團隊，研究了由二硫化鉬（MoS₂）和二硫化鎢（WS₂）合組的雙層堆疊，觀察到這種物料不僅具有壓電性，還展現出鐵電效應，有關發現令人雀躍。

鐵電物料具有電極化本質，只要簡單施加電流便可切換。由於鐵電物料擁有在兩種狀態之間切換的能力，所以被廣泛應用於感測器、電容器和數據存儲。電子業特別有興趣開發以鐵電體為基礎的超薄裝置，尤其希望在納米級生產時仍能保持其特性。然而到目前為止，這仍是主要障礙。

與純 MoS₂ 或 WS₂ 的單分子層相比，這兩種化合物的納米級堆疊產生了強烈的鐵電反應。研究團隊通過調整堆疊角度來為雙層堆疊製成不同版本，做法好像把一個鐘面覆蓋在另一個鐘面上，兩個鐘面的 12 時位置對齊或移位。兩類雙層堆疊都表現出非常強的壓電性和鐵電性。

為了驗證 MoS₂/WS₂ 的可切換極化，研究人員完成了令人刮目相看的「域寫入」試驗。他們在三角形切片的薄物料中，建立了一個可以在原子顯微鏡下看到的正方形中的正方形圖案。由於兩個帶極區域的電壓相反，寬度約為 1 微米的較小內方塊，與較大的外方塊明顯不同。

有關異質結構雙層（即由不同化學物質組成的兩層）會產生意想不到的電行為，這次發現並非首次報告。然而，壓電性和鐵電性通常取決於相關物料的細微幾何細節，意味難以保持一致性地以工業規模生產。其中，由於傳統異質雙層的兩層具有相似但不完全相同的晶體結構，往往傾向產生摩爾紋（以一種精緻的布料命名）。

摩爾紋效應非常有趣，但研究人員排除了它是令 MoS₂ / WS₂ 出現壓電和鐵電性的解釋。儘管兩層物料的原子間距離略有不同，但它們對彼此作出適應，產生了完美對齊的堆疊，完全沒有出現微小扭曲或差異來促成摩爾紋的干擾。理大團隊的流程包括簡單地將 MoS₂ 和 WS₂ 一同「烘烤」，讓兩層自發堆疊。

事實上，讓兩層具有相同晶體結構但不同原子類型的物料完美堆疊是電性能的關鍵。根據物理學的解釋，鐵電性只有在具有一定對稱性（或缺乏對稱性）的情況下才能出現於此類物料中。與兩個完全相同的物料層相比，堆疊起來的 WS₂ 與 MoS₂ 沒有對稱中心（正式名稱為反轉中心），也缺少另外幾種對稱轉型。這種破壞對稱性的特質，讓一層物料相對地滑到另一層物料時展現鐵電和壓電性。

劉樹平教授說：「計算機記憶體等高科技行業將受惠於這種新型納米級鐵電體。這些原子厚度的雙層物料具有低成本、低耗能和可靠的複製性，有望擴大製造規模，從而推動現代電子產品的前沿發展。」

今次二維鐵電材料研究，理大團隊聯同中國人民大學、劍橋大學，以及南京大學學者合作。有關研究發現刊載於國際學術期刊《科學》（Science）。

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