客户成果丨南方科技大学《nature communications》：vdW铁电WTe2中具有反常动力学的亚纳秒极化翻转

南方科技大学物理系王峻岭课题组在二维铁电材料领域中取得最新进展，该研究成果以“Sub-nanosecond polarization switching with anomalous kinetics in vdW ferroelectric WTe2”为题发表在nature communications上。

最近被发现的“滑移铁电体”展现出不同于传统铁电材料的极化起源和翻转机制。然而，人们对其极化反转动力学的理解仍不清晰。在本研究中，我们在滑移铁电材料WTe2中实现了亚纳秒（0.6纳秒）极化反转，这是目前在范德华铁电体中观测到的最快的反转速度。此外，传统的成核限制模型仍可用于描述其反转过程。然而，与传统铁电材料相反，WTe2中与极化反转相关的激活场会随着温度的升高而增大。理论分析表明，这一行为与WTe2中极化的电荷转移特性以及其独特的极化反转机制密切相关。此外，所制备的器件表现出优异的耐疲劳性，在经历了1010次循环后未观察到疲劳现象。

通过机械剥离二维材料构建了BN/WTe2/BN双栅场效应晶体管，并通过BN给WTe2施加电场，完成了铁电反转的表征。

图1器件结构与铁电性表征。a) 不同极化状态下Td-WTe2的晶体结构。红色箭头表示极化方向，红棕色箭头表示滑移方向。钨（W）和碲（Te）原子分别用蓝色和黄色球表示。b) BN/WTe2/BN双栅结构器件的示意图。Vtg和Vbg分别施加于顶部和底部的BN层上，同时通过面内电极测量WTe2的电导。c, d) 在不同底栅电压下WTe2的面内电导变化。分别展示连续Vtg施加时（c）与脉冲Vtg-p施加后（d）的测量结果。彩色箭头表示面内电导随Vtg变化的演化过程，黑色箭头表示极化方向。

WTe2的面内电导与极化方向紧密相关。我们通过脉冲信号发生器详细的研究了WTe2在不同温度下的极化反转动力学(通过一系列不同振幅和宽度的脉冲)。实验数据表明，WTe2的极化反转动力学可以用NLS模型来解释。但是，极化反转所需的激活场随温度的升高而增加，这与传统铁电材料的行为相反。通过理论计算表明，这与WTe2的极化强度随温度的升高迅速下降，以及层间滑动摩擦增加有关。

图2 Td-WTe2中的极化反转动力学。a) 极化反转动力学测试示意图。在每次测量前，先施加一个电压脉冲（Vreset）以重置WTe2的极化状态。随后，连续改变反转脉冲的宽度与幅值，并同步测量Td-WTe2的面内电导。b) Td-WTe2在100 K下对不同脉冲参数的响应。注意，这里的电压单位为VC（由Goff-Vtg-p回线上提取的矫顽电压）。c) 三组具有代表性的ΔG/ΔGmax与脉冲宽度的关系曲线，拟合结果基于NLS模型。插图展示了拟合得到的等待时间的洛伦兹分布。 d) 不同温度下、不同电压对应的特征反转时间τ₀，拟合基于Merz定律。插图显示了激活场随温度异常升高的趋势。

最后，我们表征了器件在100K下的疲劳性质。该器件在经历1010次循环后仍表现出与开始时一样的反转回线，表现出无疲劳的特性。无疲劳可能是滑移铁电材料的共性。

图3 Td-WTe2的疲劳性能。a) 在疲劳测试的不同阶段，Gon和Goff对外加电场的响应。不同颜色的曲线对应不同的反转次数，所有测量均在100 K下进行。b)在不同极化方向下，矫顽电压和电导随极化反转次数的变化。

该工作中通过使用TuoTuo Technology的无掩模光刻机完成了器件的制备。

作者信息：南方科技大学博士生白印鑫、田浚江，复旦大学博士生虞智超以及中国科学技术大学博士生管泽雨为论文共同第一作者。王峻岭教授，徐长松研究员以及李晓光教授为论文的共同通讯作者。

论文链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-025-62608-x