近日，国际顶级学术期刊 *Nature Communications*（2024年第15卷，10905期）发表了一项由西湖大学、浙江大学、日本国立材料科学研究所等单位的研究人员合作完成的重磅研究成果。该研究由西湖大学的徐水刚教授与浙江大学的辛娜教授共同主导，第一作者为西湖大学的张乐。研究人员首次在单层石墨烯（monolayer graphene）中观察到了电子铁电性（electronic ferroelectricity），这一发现打破了传统铁电材料需要至少两种元素构成极性晶体结构的认知，并将已知的铁电材料厚度推向了二维极限。这项题为“Electronic ferroelectricity in monolayer graphene moiré superlattices”的工作，不仅深化了人们对铁电性物理本质的理解，更展示了石墨烯在高速度、多态非易失性存储器及神经形态计算等领域的巨大应用潜力。
铁电材料因其拥有可通过电场翻转的自发极化（spontaneous polarization），在非易失性存储器、传感器、射频器件以及突破玻尔兹曼极限的晶体管和类脑突触器件中具有广阔的应用前景。传统铁电性的产生通常依赖于由正负离子空间分离构成的极性晶体结构，这种结构需要在至少包含两种元素的材料中才能实现。
近年来，二维铁电性的研究兴起，为实现器件微型化和探索新型铁电物理开辟了新途径。其中，界面铁电性尤其引人注目，它通过堆叠非极性材料层产生，具有高度的可调性和室温工作特性。目前，二维材料中的界面铁电性主要有两种类型：一种是基于层间滑移的“滑动铁电性”（sliding ferroelectricity），另一种则是在伯纳尔堆叠的双层石墨烯/六方氮化硼（h-BN）莫尔超晶格（moiré superlattice）中发现的非常规铁电性。后一种被认为源于自发的电子极化，而非晶格位移。然而，之前普遍认为这种电子铁电性与双层石墨烯中存在的层间电荷转移和层极化（layer polarization）的平坦莫尔能带密切相关。这引出了一个核心问题：铁电性是否能在缺乏层极化的单层石墨烯中出现？单层石墨烯本身是中心对称的六角晶格，通常被认为不可能具有铁电序。
本研究正是为了挑战这一固有认知。其目的在于探索并证实，在单层石墨烯中，通过构建非对称的莫尔超晶格界面，能否诱导出基于电子-空穴偶极子（electron-hole dipoles）的电子铁电性。如果成功，这将是已知最薄铁电材料的重大发现，并能揭示一种不依赖于层极化的新型电子铁电机制，具有重大的基础科学意义和器件应用价值。
本研究是一项严谨的实验物理工作，主要结合了精密的器件制备、系统的电学输运测量和理论分析。具体流程可分为以下几个核心步骤：
第一步：器件设计与制备 研究团队采用标准干法转移技术制备了高质量的范德华异质结器件。研究核心是构建一个非对称的莫尔超晶格界面。为此，他们在组装过程中，有意将单层石墨烯的边缘与顶部和底部的h-BN薄片的边缘对齐。通过光学对比和拉曼光谱（Raman spectra）确认了石墨烯的层数（研究中还设计了包含单层、双层、三层石墨烯区域的对比器件）。拉曼光谱和二次谐波产生（Second Harmonic Generation, SHG）测量进一步确定了堆叠构型：石墨烯晶体学上与顶部h-BN对齐，而与底部h-BN形成约30度的夹角。这种“单对齐”构型在顶部界面产生了强烈的莫尔势，而底部界面势较弱，形成了关键的非对称性。通过电子输运测量计算，顶部界面的转角约为0.68°，对应的莫尔波长约为12.4纳米。器件最终被制作成霍尔棒（Hall bar）构型，并采用双栅极（dual-gate）结构（顶栅和底栅），以独立调控总载流子密度（*ntotal*）和垂直位移场（*D*）。
第二步：电学输运表征与铁电滞后现象探测 研究人员在低温（2.2 K，除非特别说明）下对器件进行了系统的电学测量。主要测量手段包括四端纵向电阻（*Rxx*）和霍尔电阻（*Rxy*）的测量。 1. 转移特性曲线与滞后（Hysteresis）观测：首先，他们通过固定一个栅极电压（如底栅Vb=0），扫描另一个栅极电压（如顶栅Vt）来测量*Rxx*随栅压的变化。他们发现，当扫描范围超过一个临界值（如|Vb|>19 V）时，*Rxx*曲线在正向和反向扫描中表现出显著的滞后现象，表现为电荷中性点（CNP）和卫星狄拉克点（SDP）位置的偏移。这种滞后现象排除了外部因素如电荷陷阱或吸附物的影响，是本征铁电行为的迹象。 2. 栅特异性反常屏蔽（Gate-Specific Anomalous Screening, GSAS）效应研究：在双栅扫描映射图（dual-gate maps）中，研究者观察到一个奇特现象：在某些栅压区域（例如与顶部莫尔界面相关的顶栅Vt扫描时），*Rxx*的特征峰（如SDP）轨迹会变得近乎水平或垂直，意味着其中一个栅极的调控效应被“屏蔽”了。这种现象被定义为GSAS。GSAS的出现依赖于快速扫描栅极的扫描范围和方向，进一步揭示了莫尔势对载流子局域化的不对称影响。
第三步：极化1电场（*P2D-E*）回线测量与铁电性确证 为了直接探测和量化铁电极化，研究团队进行了关键的霍尔测量。霍尔载流子密度（*nh*）直接反映了导电通道中的可迁移电荷密度。通过巧妙的同时扫描顶栅和底栅电压，并保持总载流子密度*ntotal*恒定（例如固定为0），他们实现了对外加垂直电场（*E*）的扫描，同时测量*nh*的变化。二维极化强度*P2D*由公式*P2D = e nh ddipole*计算得出，其中*d_dipole*是偶极子尺寸（单层石墨烯为0.26 nm）。 1. 标准铁电回线观测：在固定ntotal = 0的条件下，扫描*E*得到了清晰、标准的*P2D-E*迟滞回线（hysteresis loop）。回线显示存在两个方向相反的剩余极化（*Pr*）态，且这些态可以通过施加足够大的反向电场进行切换。这是铁电性的明确标志。 2. 扫描范围与温度依赖性研究：研究人员系统研究了不同电场扫描范围（|E|max）和温度（从2.2 K到300 K）下的*P2D-E*回线。发现只有当|E|max超过一个临界值（约28 mV/nm）时，迟滞现象才开始出现；随着|E|max增大，剩余极化*Pr*和饱和极化*Ps*呈现阶梯式增加，并在约73 mV/nm时达到饱和。至关重要的是，铁电回线在室温下依然清晰可见，证明了其鲁棒性。
第四步：机制探究与层数无关性验证 为了理解铁电性的物理机制，研究人员对*P2D-E*回线的各个阶段进行了详细解读，并设计了对控制器件进行对比。 1. 机制模型：基于实验结果，研究者提出了一个基于电子+空穴偶极子的物理图像。在非对称莫尔势的作用下，由特定栅极（如顶栅）注入的空穴（或电子）会被局域在莫尔界面处（成为局域电荷），而由另一栅极（如底栅）注入的相反电荷（电子或空穴）则在石墨烯沟道中自由移动（成为可迁移电荷）。两者之间形成了动态束缚的电子+空穴偶极子，产生了净极化。当局域电荷密度达到莫尔能带半填充时，系统达到饱和。极化反转的过程对应于局域电荷类型（空穴或电子）的切换。可迁移载流子的存在导致了回线呈顺时针方向，这是铁电金属/半导体的特征。 2. 层数无关性验证：为了检验先前“层极化是铁电性必要条件”的观点，研究团队在一个器件上原位比较了单层、双层和三层石墨烯莫尔超晶格。结果显示，所有三层系统均表现出类似的铁电滞后行为、GSAS效应以及相同的饱和可迁移载流子密度（nsh ≈ 0.5 *nfull*，*nfull*为莫尔能带满填充密度）。这一关键证据表明，电子铁电性在石墨烯/h-BN莫尔系统中是普遍存在的，并不依赖于石墨烯的层数或能带结构细节，而是源于非对称莫尔势对电荷的空间分离作用。
第五步：应用演示：非易失性存储与突触模拟 基于该铁电系统独特的、可准连续调控的剩余极化态，研究团队展示了其在信息器件方面的应用潜力。 1. 多态非易失性存储：通过施加不同幅度和极性的电场脉冲，可以实现*nh*（对应极化态或存储状态）的准连续、非易失性调控。这意味着该器件可以实现超越传统“0”和“1”的多态数据存储。 2. 突触行为模拟：利用极化态的可塑性，研究人员成功模拟了生物突触的关键特性。通过编程一系列*E*脉冲，器件的“权重”（*nh*）可以发生长时程增强（Long-Term Potentiation, LTP）或长时程抑制（Long-Term Depression, LTD），模拟了学习与记忆的生理基础。此外，在大电场脉冲后，*nh*会随时间发生自发衰减，这一特性可用来模拟处理时间信息的短时程可塑性（Short-Term Plasticity, STP）。
本研究的核心结论是：在单层石墨烯中引入非对称的莫尔超晶格，可以诱导产生不依赖于层极化的电子铁电性。这种铁电性源于被莫尔势局域的电荷与可迁移的反型电荷形成的电子+空穴偶极子。
科学价值： * 理论突破：它挑战了传统铁电性需要极性晶格和至少两种元素的观念，将铁电性拓展到了由单一元素构成的、高度对称的二维材料中。 * 机制创新：提出并验证了一种新的电子铁电机制，即基于界面工程产生的空间电荷分离，为在更多二维材料体系中探索新型铁电性提供了新思路。 * 物理拓展：为研究铁电性与石墨烯其他新奇物性（如磁性、拓扑、超导）的耦合（如多铁性、拓扑铁电）开辟了新的可能性。
应用价值： * 器件前景：单层石墨烯具有极高的载流子迁移率、优异的机械和化学稳定性。将其与铁电性结合，有望开发出高速、低功耗、高密度的非易失性存储器和逻辑器件。 * 神经形态计算：本研究展示的多态存储和突触模拟功能，为构建基于石墨烯的高性能、可编程人工突触和神经形态计算芯片提供了坚实的器件基础。 * 工艺兼容性：石墨烯和h-BN的制备技术日趋成熟，且h-BN本身可作为优质栅介质，简化了器件设计，有利于未来集成化。
本研究还详细阐述了*P2D-E*回线各阶段（从电荷注入到饱和、再到反转）的微观物理过程，并将其与GSAS效应的不同区域对应起来，为理解整个铁电开关的动态过程提供了清晰的物理图像。此外，文章还讨论了该系统与传统的晶格驱动铁电体以及滑动铁电体在回线方向、极化切换动力学上的区别，强调了其电子起源的特性。研究中对温度依赖性的测量（特别是*Pr*在特定条件下随温度的非单调变化）也为识别其本征电子铁电特性、排除外禀机制提供了重要佐证。最后，作者展望了与石墨烯其他物性结合可能产生的新奇效应，为后续研究指明了方向。