铁电材料因具有外加电场下可切换的自发电极化特性，在非易失存储、存算一体芯片、负电容晶体管、非线性光伏器件等方面有着广泛的应用。最近基于二维范德华材料的研究阐明了一种全新的铁电极化机制：滑移铁电，即通过层间滑移实现铁电极化的切换。滑移铁电是当前凝聚态物理的研究前沿热点之一，并已经在转角莫尔超晶格、以及无转角的菱方相氮化硼和过渡金属硫化物中得到实验验证。虽然滑移铁电研究已取得系列突破性进展，但走向应用还存在两个核心挑战。1）目前滑移铁电材料主要通过机械剥离加转移获得，尺寸通常在微米级别，且产率低，难以满足大面积集成器件加工需求；2）目前滑移铁电研究主要聚焦在其基本特性方面，基于滑移铁电的功能器件尚处空白，急需构建高性能滑移铁电器件，以验证优势。
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图. 二维滑移铁电存储与突触器件
中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心张广宇研究员课题组针对以上两个核心挑战，展开了系统研究。针对挑战一，课题组与合作者提出了“晶格传质-界面外延”材料制备新范式，打破了传统“表面外延”技术相结构控制困难和层数控制困难等制备难点，首次实现了层数及堆垛结构可控的滑移铁电菱方相过渡金属硫族化合物单晶晶圆的通用制备，包括MoS2、MoSe2、WS2、WSe2、NbS2、NbSe2及MoS2(1-x)Se2x。相关成果以“Interfacial epitaxy of multilayer rhombohedral transition metal dichalcogenide single crystals”为题发表于Science 385, 99-104 (2024)。
针对挑战二，张广宇研究员课题组的博士生李修臻在杜罗军特聘研究员、张广宇研究员的指导下，基于制备的大面积菱方相双层MoS2半导体薄膜，优化转移、接触等器件制备工艺，构筑了非易失性可擦写的滑移铁电晶体管阵列。基于滑移铁电菱方相双层MoS2薄膜的非易失性存储器件表现出优异的性能，包括>8V 的存储窗口、>106的开关比、>10年的保持性、>104次编程的耐久性。利用原子级厚度薄膜的优异机械稳定性，还首次将非易失性存储铁电器件加工到柔性衬底上。在上千次的弯折测试中，器件表现出出色的耐疲劳特征。此外，基于柔性衬底上的滑移铁电非易失性存储器件，构筑了卷积神经网络，并在图片识别任务中实现了高达97.81%的准确率。该工作验证了滑移铁电的应用前景，推动了滑移铁电向非易失存储、人工智能等方面的应用进程。
相关成果以“Sliding ferroelectric memories and synapses based on rhombohedral-stacked bilayer MoS2”为题发表在Nature Communications15, 10921 (2024)。该研究受到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金委、中国科学院先导B、及广东省重点研发计划等项目的资助支持。
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