具有强健极化到原子厚度的二维(2D)铁电体，为功能异质结构提供了基础。但由于层状极性晶体的要求，目前实验上的实现，仍然具有挑战性。

在此，来自美国麻省理工学院的Pablo Jarillo-Herrero等研究者，展示了一个合理的设计方法，可利用范德瓦尔斯组装将2D铁电体从非铁电母体化合物中分离出来。相关论文以题为“Stacking-engineeredferroelectricity in bilayer boron nitride”发表在Science上。

论文链接：https://science.sciencemag.org/content/372/6549/1458

具有电场可切换极化的铁电材料，提供了广泛的技术应用，如非易失性存储器、高介电常数介质、机电致动器和热释电传感器等。细化垂直铁电体是实现铁电非易失性存储器的重要步骤之一，而这是追求更密集存储和更低功耗的一部分。然而，由于退极化效应，室温下的铁电性到原子厚度是很难获得的，直到最近开发出三个系列材料：外延钙钛矿、HfO2基铁电体和低维范德华(vdW)铁电体。其中，2D vdW铁电体为将石墨烯等高迁移率材料集成到铁电场效应晶体管提供了机会，同时，由于没有悬垂键而能保持其性能完整。它们均匀的原子厚度，也使其成为铁电隧道结中铁电隧道势垒的理想材料。尽管二维垂直铁电体CuInP2S6、In2Se3、MoTe2和WTe2在铁电存储器中的应用具有潜在重要性，但迄今为止发现的例子还很少；由于原始层状体晶中极空间群的要求，使得候选材料受到很大的限制。

vdW组装技术的发展，使异质结构的工程性能超越了单层的物理性能之和。例如，当石墨烯与六方氮化硼(hBN)对齐或与另一个轻微旋转的石墨烯薄片堆叠时，其Dirac带结构会发生显著变化。通过对能带结构的改进，发现了与电子相关和拓扑结构相关的各种突现现象，超出了原本能带结构的预期。

在此，研究者证明了vdW堆积不仅改变了电子能带结构，也改变了晶体对称性，从而使得从非铁电母化合物中设计出铁电材料成为可能。研究者以BN为例，但同样的方法也适用于其他两部分蜂窝二维材料，如2H-型过渡金属双卤族化合物(TMDs)。块体hBN晶体实现AA′堆积，如图1A所示。这种180°旋转的自然堆叠顺序，恢复了单层中被破坏的反转对称。然而，如果两个BN单层薄片没有旋转堆叠(平行堆叠，P)，理论和实验表明，从而形成了极性AB或BA的堆叠顺序(图1,B和C)。这些构型是平行堆叠形式的局部能量最小值，并以亚稳晶体结构实现。在AB (BA)层中，上层的B (N)原子位于下层的N (B)原子之上，而上层的N (B)原子位于下层六边形中心的空位置之上。

图1 AB-堆叠双层BN的极化。

研究表明，平行堆叠的双层氮化硼表现出面外电极化，并随堆叠顺序发生反转。通过邻接堆叠的石墨烯薄片的电阻来探测极化开关。以较小的角度扭转氮化硼片，可以形成moiré交错极化铁电体，从而改变开关动力学。这种铁电性可在室温下保持住，同时维持石墨烯的高迁移率，为超薄非易失性存储器的潜在应用铺平了道路。

图2 平行堆叠双层BN中的铁电开关。

图3 双扭曲层BN中的铁电开关。

图4 铁电场效应晶体管的室温操作。

综上所述，本研究中所论证的vdW铁电体和moiré铁电体的设计方法可以推广到其他两部分蜂窝二维材料，例如半导体2H型TMDs，如MoS2和WSe2，金属和超导的NbS2和NbSe2，以及III族硫族化合物，如GaS, GaSe和InSe等。这些合成铁电体的逆对称破缺，将通过极化开关以可调的方式耦合到电子能带结构上。除了对每一种材料的固有属性进行修饰所产生的有趣的物理特性之外，这种工程铁电体和moiré系统，可能会大大扩展二维材料在电子、自旋电子和光学等应用方面的能力。