亚纳秒级极化翻转与反常动力学：WTe2范德华铁电体的突破性研究

研究人员针对滑动铁电体（sliding ferroelectrics）极化翻转机制不明确的问题，通过静态脉冲测量和第一性原理计算，揭示了WTe2中亚纳秒级（0.6 ns）极化翻转的异常温度依赖性——激活场（Ea）随温度升高而增大，颠覆传统铁电体认知。该研究阐明了电荷转移极化与层间滑动机制的独特关联，并证实器件具备1010次循环无疲劳的优异耐久性，为下一代纳米电子器件设计提供了理论依据。

　　

在二维材料研究领域，范德华（vdW）铁电体因其独特的层间耦合特性成为近年来的热点。然而，与传统铁电体不同，滑动铁电体（sliding ferroelectrics）的极化源于层间电荷转移，其翻转机制涉及原子层的相对滑动，这一过程的基础动力学特性长期缺乏系统研究。更关键的是，现有理论难以解释此类材料在实际应用中可能面临的温度效应和操作速度极限。

针对这一挑战，来自国内多家机构的研究团队选择具有T_d相结构的WTe₂作为研究对象。这种半金属性材料不仅具备565K的高居里温度，其特殊的晶体结构（如图1a所示）使得极化方向被约束在a-c平面内，为研究滑动依赖的极化翻转提供了理想平台。通过创新性的实验设计和理论模拟，研究人员首次观测到亚纳秒级的超快极化翻转，并发现其反常的温度响应规律，相关成果发表在《Nature Communications》上。

研究采用BN/WTe₂/BN双栅器件结构（图1b），通过静态脉冲测量技术精确控制极化翻转过程。结合原位电导测量和第一性原理计算，团队系统分析了温度对极化强度、能垒及层间摩擦的影响。关键发现包括：在100K条件下实现0.6 ns的翻转速度（图2d），激活场E_a与温度的正相关性（图2d插图），以及通过电荷密度差计算（图3b）证实极化强度随温度升高而降低的独特机制。

Characterizations of ferroelectricity in WTe₂

通过化学气相传输法（CVT）制备的T_d-WTe₂单晶（图1a）在双栅器件中展现出典型的电导"蝴蝶"曲线（图1c）。研究人员创新性地采用脉冲测量模式（图1d），消除了连续栅压对载流子的掺杂干扰，首次在WTe₂中清晰分离出极化依赖的本征电导变化。

Polarization switching kinetics in Td-WTe₂

核限域翻转模型（NLS）拟合表明（图2c），翻转过程符合成核-扩张机制，但激活场E_a随温度升高而增大的现象（图2d插图）完全背离传统铁电体行为。理论分析揭示这是极化强度快速衰减（图3b）与层间滑动阻力增加共同作用的结果。

Modeling and first principles calculations

DFT计算显示（图3b），WTe₂的极化强度随温度升高显著降低，而BN和PbTiO₃保持稳定。这种差异源于其半金属特性——费米面附近电子重分布减少了层间电荷转移（图3b插图），导致翻转能垒Δ=δ-E·P随温度反常增大（图3c）。

Fatigue resistance of polarization switching in WTe₂

在2×10⁴Hz的循环测试中（图4a），器件经过10¹⁰次翻转仍保持稳定的矫顽电压和电导特性（图4b），证实层间滑动机制对缺陷钉扎具有天然免疫力。

这项研究不仅创下vdW铁电体极化翻转速度的新纪录，更重要的是揭示了滑动铁电体独特的温度响应机制。研究提出的"极化强度-层间摩擦"协同模型为理解二维铁电体的动力学行为提供了新范式，而其展示的亚纳秒操作速度和超强抗疲劳特性（图4），使得WTe₂在高速非易失性存储器、神经形态器件等领域展现出巨大应用潜力。该成果通过建立材料本征特性与宏观性能的定量关联，为后续设计新型滑动铁电材料指明了方向。