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为解决在二维范德华（vdW）材料中建立多种铁性有序参数的难题，研究人员开展了对 SnSe 多铁性的研究。结果发现 AA 堆叠的 SnSe 具有非中心对称结构，面内（IP）和面外（OOP）铁电可耦合，切换电压低至亚 0.3V。这为低功耗电子器件发展提供新方向。
在科技飞速发展的当下，电子设备不断朝着小型化、多功能化和低功耗的方向迈进，这使得寻找新型多功能材料成为科研领域的关键任务。范德华（vdW）多铁性材料因在下一代多功能纳米电子学中展现出巨大潜力，吸引了众多科研人员的目光。然而，探索这类材料困难重重，在二维极限下确立两种或更多铁性有序参数更是面临严峻挑战，相关的实验报道极为稀少。此前虽有理论提出一些二维多铁性材料，但实际验证的案例屈指可数，这无疑为该领域的研究蒙上了一层阴影。
为了突破这一困境，来自美国加利福尼亚大学伯克利分校等多个研究机构的研究人员，开展了关于 SnSe 多铁性的研究。他们成功发现了非中心对称堆叠和层间滑动赋予 SnSe 同时存在且相互关联的面内（IP）和面外（OOP）铁电特性，这一成果发表在《Nature Communications》上。该研究不仅揭示了 SnSe 独特的多铁性现象，还为低功耗电子器件的发展开辟了新的道路，意义重大。
在研究过程中，研究人员运用了多种关键技术方法。通过低温物理气相沉积（PVD）技术合成 AA 堆叠的 SnSe 单晶；利用光学二次谐波产生（SHG）测量和密度泛函理论（DFT）计算研究晶体对称性；借助双交流共振跟踪压电响应力显微镜（DART PFM）探究铁电行为；采用高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）观察晶体结构和原子位移。
AA 堆叠和反演对称性破缺
研究人员在多种衬底上，通过低温（250°C）物理气相沉积法成功制备出 AA 堆叠的 SnSe 单晶。这种低温制备方法与互补金属氧化物半导体（CMOS）技术的后端工艺高度兼容。光学显微镜图像显示，生长的 SnSe 薄片厚度在 5nm 到几微米之间。通过调整生长条件，还可控制其厚度。为了研究合成晶体的对称性，研究人员进行了光学二次谐波产生测量。结果显示，SnSe 晶体有强烈的二次谐波信号，这表明其反演对称性被打破，与传统的 AB 堆叠 SnSe 截然不同。此外，通过计算双层 AA - SnSe 的二阶非线性磁化率，并与实验数据对比，进一步证实了合成的 SnSe 晶体为 AA 堆叠且反演对称性破缺。
IP 和 OOP 铁电性及低电压切换
研究人员利用 DART PFM 技术研究非中心对称 SnSe 的铁电行为。在面内 PFM 测量中，施加直流电压可切换 IP 电极化，交流电压用于检测与极化相关的压电响应。实验结果呈现出典型的蝶形幅度行为和滞后相位曲线，证明了 SnSe 样品的面内铁电性，且不同厚度的样品均有此表现。同时，研究人员还首次观察到 SnSe 晶体的 OOP 铁电响应。他们特别关注 SnSe 的低切换电压，以满足低功耗器件的应用需求。研究发现，随着样品厚度减小，OOP 铁电切换电压降低。当厚度达到 5nm 时，矫顽电压仅为 0.28V，远低于氧化铪和其他二维铁电材料。而且，切换电压与样品厚度近乎呈线性关系。
滑动诱导的 OOP 极化及其耦合机制
通过 HRTEM 和 DFT 计算，研究人员分析了 SnSe 铁电性的潜在机制。HRTEM 图像清晰显示，生长的 SnSe 薄片为 AA 堆叠，与传统的 AB 堆叠 MXs 不同，其具有累积极化。进一步的选区电子衍射（SAED）实验和模拟结果也证实了这一点。研究发现，层间滑动在 OOP 偶极形成中起主导作用。层间Sn2+和Se2?离子的整体位移导致层间偶极不平衡，产生非零的净 OOP 极化。OOP 极化方向由滑动方向决定，并与 IP 极化状态锁定。DFT 计算结果表明，系统存在双阱形的总能量曲线，IP 和 OOP 极化在铁电切换过程中同步变化，这种耦合机制为基于 SnSe 或类似铁电体的器件应用提供了额外的可调性。
铁弹性畴成像
铁弹性在 MX 家族中一直备受关注，但此前缺乏实验验证。研究人员利用 HRTEM 对 SnSe 纳米片进行观察，低倍侧视图显示出明显的应变条纹，高倍图像则清晰地揭示了同一横截面中（100）和（010）两种铁弹性畴的共存。通过对畴壁附近的原子排列进行分析，以及利用偏振拉曼测量，进一步证实了两种铁弹性基态在 SnSe 中的共存。
综上所述，该研究首次在 MXs 中实验报道了铁电性和铁弹性的共存。低温合成的 SnSe 与半导体制造工艺兼容性良好，其独特的堆叠结构使层间滑动诱导出 OOP 极化，并实现了 IP 和 OOP 铁电的耦合切换。切换电压随样品厚度减小而降低，这为开发下一代超低功耗的非易失性纳米电子器件提供了重要的理论和实验依据。同时，铁弹性的发现也为通过应变工程调控铁电性能开辟了新途径，在低功耗、高可调性的存储和逻辑器件创新方面具有里程碑意义。未来，随着研究的深入，有望进一步优化材料性能，推动相关技术的实际应用，为电子领域带来新的变革。
