在全对称的3R过渡金属硫属化合物双层结构中，不存在畴壁限制的滑动铁电效应

《Advanced Functional Materials》：Domain-Wall-Free Sliding Ferroelectricity in Fully Commensurate 3R Transition Metal Dichalcogenide Bilayers

室温下无晶界墙壁的3R-TMD双层膜通过封装退火和NaCl辅助CVD实现，其滑动铁电性具有高剩余极化、长保留（超10年）和437K高温稳定性，解决了多域结构中晶界迁移导致的性能衰减和不均匀性问题，为大规模铁电器件提供可扩展平台。

　　本研究聚焦于二维材料中一种特殊结构——全共格（Fully Commensurate, FC）的3R相过渡金属二硫属化物（Transition Metal Dichalcogenides, TMDs）双层结构的滑动铁电性现象。这类材料因其在原子厚度下仍能保持稳定的铁电特性而备受关注，为下一代非易失性存储器和逻辑器件提供了潜在的解决方案。然而，传统的人工堆叠方法在制造过程中常常引入随机形成的畴壁（Domain Wall, DW）和不规则的晶格排列，导致铁电性能不稳定、重复性差，影响了其在实际应用中的可靠性。为解决这些问题，研究人员通过封装退火和NaCl辅助化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition, CVD）等方法，成功制备出具有单畴结构的3R-TMD双层材料（Single-Domain TMDs, SD-TMDs），实现了无畴壁干扰的铁电切换。这些SD-TMDs表现出更优的铁电性能，包括更高的剩余极化（Remanent Polarization, P_r）、更长的极化保持时间以及显著增强的热稳定性，为构建大规模、高可靠性的二维铁电器件奠定了基础。

在传统的人工堆叠方法中，3R-TMD双层通常由多个三角形AB和BA畴组成，这些畴之间通过畴壁和AA区域（即晶格对齐的区域）连接。由于畴壁在电场作用下会发生迁移，从而导致极化状态的逐步切换，这种机制使得PD-TMDs（Poly-Domain TMDs）的极化切换过程不够迅速和彻底，影响了其在实际应用中的性能。此外，畴壁在材料内部的随机分布和固定，也限制了器件的均匀性和一致性。相比之下，SD-TMDs由于没有畴壁的存在，其极化切换过程更为直接和高效，从而实现了更稳定的电场-极化（P–E）滞后回线，且具有更明确的矫顽场依赖性。这种特性使得SD-TMDs在非易失性存储器和逻辑器件的应用中展现出巨大潜力。

在实验中，研究人员采用不同的方法制备了PD-TMDs和SD-TMDs。对于PD-TMDs，他们通过机械剥离或CVD生长单层TMD材料，并将其人工堆叠形成双层结构。然而，这种堆叠方式容易导致畴壁的形成和固定，从而影响器件的性能。而SD-TMDs则通过封装退火和NaCl辅助CVD技术，实现了在生长过程中避免畴壁的形成，确保了材料的单畴结构。这种方法不仅提高了材料的均匀性，还显著增强了其热稳定性和极化保持能力。通过扫描透射电子显微镜（Scanning Transmission Electron Microscopy, STEM）和选区电子衍射（Selected Area Electron Diffraction, SAED）等表征手段，研究人员确认了SD-TMDs的单畴结构，并进一步验证了其在电场作用下表现出的稳定极化切换行为。

为了评估SD-TMDs在实际应用中的性能，研究人员使用了石墨烯场效应传感器进行电学测量。石墨烯作为灵敏的电荷检测层，能够有效捕捉TMD双层极化状态变化所引起的载流子浓度变化。实验结果表明，SD-TMDs的石墨烯传感器表现出更一致的转移特性，其极化保持点（Charge Neutral Point, CNP）的变化范围更小且更均匀，而PD-TMDs则因畴壁迁移和局部应变的不均匀性，表现出较大的设备间差异。此外，SD-TMDs在电场作用下表现出更陡峭的极化滞后回线，且其剩余极化值显著高于PD-TMDs，表明其在极化切换过程中具有更高的效率和稳定性。这种特性对于构建高密度、高性能的二维铁电器件至关重要。

在热稳定性方面，SD-TMDs也展现出明显的优势。实验数据显示，SD-WSe₂的居里温度（Curie Temperature）达到了437 K，远高于PD-WSe₂的321 K。这一温度范围的提升意味着SD-TMDs能够在更高的温度环境下保持稳定的极化状态，这对于实际器件的长期运行和环境适应性具有重要意义。同时，研究人员还通过正向-负向脉冲（Positive-Up Negative-Down, PUND）测量方法，进一步验证了SD-TMDs的非易失性极化切换特性。与PD-TMDs相比，SD-TMDs在多次脉冲后仍能保持较高的剩余极化值，说明其在多次电场作用下具有更强的耐久性。

此外，SD-TMDs的极化保持时间也远超PD-TMDs。实验结果显示，SD-TMDs在退火处理后，其极化保持时间可以超过十年，远高于PD-TMDs的几秒到几分钟的保持时间。这一结果表明，SD-TMDs不仅在电场作用下具有高效的极化切换能力，而且在无外部电场的情况下也能长时间维持极化状态，这对于非易失性存储器的设计和应用具有重要意义。同时，这种长保持时间特性也意味着SD-TMDs能够更好地满足工业标准中对铁电材料的性能要求，为其在实际器件中的大规模应用提供了可能性。

为了进一步验证SD-TMDs的稳定性，研究人员还对其在不同温度下的极化行为进行了研究。结果表明，SD-TMDs的极化在温度升高时表现出明显的下降趋势，而PD-TMDs则呈现出更为平缓的极化衰减。这一现象说明，SD-TMDs的极化切换机制与PD-TMDs存在本质差异。在SD-TMDs中，极化切换可能由整个双层结构的集体滑动所驱动，而PD-TMDs的极化切换则依赖于畴壁的迁移和局部应变的积累。因此，SD-TMDs的极化保持能力更强，且其极化切换过程更加迅速和彻底，从而避免了因畴壁迁移导致的极化不完全问题。

在实际应用中，SD-TMDs的这些特性使其成为构建高密度、高性能二维铁电器件的理想材料。传统的二维铁电材料往往受到畴壁和局部应变的限制，导致其在电场作用下难以实现完全的极化切换。而SD-TMDs由于其单畴结构和无畴壁干扰的特性，能够在更宽的电场范围内实现稳定的极化状态切换，同时保持良好的热稳定性和长时保持能力。这些优势不仅提升了器件的性能，也降低了制造过程中的复杂性和不确定性，为实现大规模、可重复的二维铁电器件制造提供了可行的技术路径。

为了实现SD-TMDs的大规模制备，研究人员还探索了NaCl辅助CVD技术的应用。该技术能够有效促进TMD材料的均匀生长，避免畴壁的形成，从而确保材料的单畴结构。实验结果表明，通过NaCl辅助CVD生长的SD-MoS₂具有更长的极化保持时间和更高的剩余极化值，进一步验证了其在铁电性能上的优势。此外，研究人员还通过石墨烯传感器对SD-MoS₂的极化行为进行了详细研究，发现其在不同区域表现出一致的电学特性，说明其在结构上具有高度的均匀性。这种均匀性对于构建高性能、高可靠性的二维铁电器件至关重要，因为不均匀的材料结构可能导致器件性能的波动和不稳定。

综上所述，本研究通过封装退火和NaCl辅助CVD技术，成功制备出具有单畴结构的3R-TMD双层材料，实现了无畴壁干扰的稳定铁电切换。SD-TMDs表现出更高的剩余极化、更长的极化保持时间和更高的热稳定性，为二维铁电材料在非易失性存储器和逻辑器件中的应用提供了新的可能性。此外，该研究还展示了SD-TMDs在制造过程中的可扩展性和一致性，为未来大规模、高可靠性的二维铁电器件开发奠定了坚实的基础。这些成果不仅推动了二维铁电材料的研究进展，也为实现更高效、更稳定的新型电子器件提供了重要的理论支持和技术路线。