Nature子刊 | 泽攸科技原位TEM助力揭示SnSe₂天然范德华界面滑动铁电性研究-泽攸科技

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Nature子刊 | 泽攸科技原位TEM助力揭示SnSe₂天然范德华界面滑动铁电性研究

发布时间：

2026-10-29

铁电材料以允许两个或多个稳定且可切换极化状态的极性对称为特征，是非易失存储器、传感器、微波器件与晶体管的基石。后摩尔时代对非易失存储与神经形态计算的日益增长需求，使众多常规三维铁电体因著名的临界尺寸效应面临严峻的尺寸限制，促使人们积极寻找在原子级厚度下仍保持功能性的室温铁电材料。二维范德华铁电体凭借高载流子迁移率、合适的能带结构以及可保持至原子极限的铁电性而成为有前景的候选者，但目前仅有CuInP₂S₆、SnTe、In₂Se₃与Bi₂SeO₈等少数本征极性二维层状材料获得实验确认。

新兴的二维滑动铁电体受到广泛关注，其铁电性源于打破局域反演对称性的特定堆叠构型，触发界面层间电荷再分布并形成界面电偶极矩，进而产生净面外极化，该极化可通过垂直电场下的面内层间滑移进行切换。然而现有滑动铁电体的实现通常依赖复杂且精密的堆叠工艺，可扩展性与可重复性有限，严重阻碍其大规模应用。同时人工堆叠构型与极化开关之间关联的直接原子级证据仍然稀缺。因此探索天然生长、免于人工堆叠的本征多型二维铁电体，并在原子层面揭示其结构性能关系，具有重要的科学意义。

针对上述问题，由华东师范大学、华中科技大学和中国科学院上海技术物理研究所等组成的联合团队利用泽攸科技的原位TEM测量系统进行了深入研究，该团队在天然形成的SnSe₂范德华层状半导体中系统识别了多种本征堆叠构型，证实非中心对称反平行界面可产生稳健且可切换的面外铁电性，并通过原位偏压透射电镜直接可视化外场诱导的层间滑移与耦合的可逆极化翻转，从原子尺度阐明了滑动诱导界面铁电性的物理机制。

标题：Interfacial ferroelectricity at naturally-formed van der Waals interfaces
期刊：Nature Communications
网址：https://doi.org/10.1038/s41467-026-78336-9

本项研究首先聚焦于不同堆叠构型的结构识别与对称性表征。SnSe₂是光学带隙约1.67eV的1T相vdW层状半导体，具有CdI₂型Se-Sn-Se夹心晶格，因其丰富的多型性可天然形成平行（AA、AA'）与反平行（AB'、AB''）两类层间堆叠构型。通过HAADF-STEM成像，团队系统识别了AAA（S₀）、AAA...B'B'B'...（S₁）、AAB'（S₂）与AAB'B'（S₃）四种典型堆叠方式，其vdW间隙均保持约0.313nm、层内结构基元完全一致。二次谐波（SHG）表征表明，中心对称的S₀不呈现SHG响应，而对称破缺的S₁、S₂、S₃在1064 nm激发下于532nm处呈现稳健的（畸变）六重对称SHG信号，为反平行界面打破空间反演对称、形成垂直Sn-Se界面偶极矩提供了明确证据。

研究随后通过压电力显微镜系统验证了非中心对称堆叠构型的本征面外铁电性。在垂直外电场作用下，S₁、S₂、S₃三种样品均表现出典型的蝴蝶状振幅环与约180°切换的尖锐相位回滞，且施加相反直流偏压（Vdc=±6V）可实现可逆的畴写入与读取。电压依赖测试证实压电信号在低于矫顽场时消失，排除了静电伪影。团队进一步利用聚焦离子束从相反畴区制备横截面样品，HAADF-STEM与强度线轮廓精确表明，+6V写畴后反平行界面AB'呈极化向下态（P_dn），−6V下呈极化向上态（P_up），极化翻转与层间面内位移Δ精确耦合，导电原子力显微镜的I-V曲线亦呈现高低阻态间的可逆回滞，共同证实了反平行界面堆叠SnSe₂的本征滑动铁电性。

研究随后聚焦于外电场驱动极化翻转的微观原子机制。借助泽攸科技透射电镜原位样品杆，团队在球差校正STEM系统中施加外部电场并同步获取结构图像，FIB制备的横截面样品粘附于铜网之上作为接地底电极，可移动的钨探针作为顶电极连接电学测量单元。循环电压扫描过程中记录的I-V曲线在双对数坐标下呈经典蝴蝶状回滞，准原位偏压实验则直接显示，AAB''与AAB''B'堆叠的SnSe₂在偏压后相邻层发生明显面内横向滑移，强度线轮廓量化了原始态与偏压态间的位移Δ并伴随极化方向反转。在±2.5V扫描后的S₂样品中，远离探针区域保持原有堆叠与极化取向，而探针附近区域由初始P_up态转变为P_dn态，并捕获到两极化态之间的中间畴界构型，为层间滑移诱导界面极化开关提供了直接原子级证据。

研究最终通过第一性原理计算验证了滑动开关路径的可行性。DFT计算表明，S₁、S₂、S₃的自发极化分别为0.12、0.26、0.18μC·cm⁻²，其中S₂拥有最大的自发极化。基于CI-NEB方法计算得到AAB''（或AB''）堆叠的滑移能垒仅为77.0meV/u.c.，AAB'B'构型中协同双层滑移路径（Path-1）的能垒为68.5meV/u.c.、单层滑移路径（Path-2）为73.2meV/u.c.，均与代表性二维铁电体的开关能垒相当，表明极化切换在能量上高度有利。研究推断，在具有非中心对称反平行界面的vdW层状材料中，可能存在源自层间定向滑移的本征界面铁电性，从而扩展了二维范德华铁电半导体家族，为铁电光伏、铁电隧穿结与存内计算等大规模集成应用提供了潜在材料基础。

泽攸科技作为中国本土的高端精密仪器公司，是原位电子显微镜表征解决方案的一流供应商，推出的PicoFemto系列的原位透射电子显微镜表征解决方案，陆续为国内外用户的重磅研究成果提供了技术支持。下图为该研究成果中用到的泽攸科技原位TEM样品杆产品：