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在二维（2D）材料莫尔超晶格研究中，不规则莫尔超胞及极化调控难题待解。研究人员以扭曲 3R-h-BN（t-BN）为对象，经理论模拟与实验，发现机械力可调控 t-BN 莫尔图案，为调制莫尔铁电性提供新途径，助力高密度、低能耗信息存储。
近年来，二维材料家族凭借其高比表面积和独特电子性能，成为科研领域的 “宠儿”。当两种二维材料按特定方式叠加，会形成莫尔超晶格结构，催生出一系列新奇特性，如莫尔铁电性。在莫尔铁电体系中，相邻莫尔区域呈现相反的自发极化，这一特性为实现更高密度、更低能耗的信息存储带来希望，有望突破传统存储技术的尺寸限制。
然而，理想很丰满，现实却很骨感。在实际研究中，莫尔铁电领域面临诸多挑战。一方面，多数理论模型构建的是规则的铁电莫尔畴（等边三角形），但在材料转移等制备过程中，不可避免会引入外部应变场，导致实际出现的往往是不规则的莫尔超胞（非等边三角形），这些不规则结构却未得到足够重视。另一方面，极化畴相互连接形成复杂网络，使得可控的极化演变操纵困难重重，严重阻碍了莫尔铁电体在信息存储等领域的进一步发展。
为攻克这些难题，来自华东师范大学、南京工业大学、东南大学等多所国内高校的研究人员携手合作，开展了深入研究。他们将目光聚焦于扭曲 3R-h-BN（t-BN），此前研究已证实其为拓扑铁电体。研究人员期望通过探索 t-BN 在机械力作用下的行为，找到调控莫尔铁电体极化的有效方法。
此次研究成果意义重大。它为界面铁电体中极化的可控切换开辟了新路径，有望推动二维材料在信息存储、电子器件等领域的广泛应用。相关研究成果发表在《Nature Communications》上，为该领域的发展注入了新活力。
在研究过程中，研究人员主要运用了以下几种关键技术方法：
- 分子动力学（MD）模拟：使用 LAMMPS 软件包对 1° 扭曲的 t-BN 双层进行模拟，设置周期性边界条件（PBC），通过拉伸平面内周期性边界施加单轴应变，以揭示应变下莫尔图案演变机制。
- 扫描探针显微镜（SPM）技术：利用商业 SPM 系统（Cypher S 和 Park AFM NX10）进行多种测量。其中，压电响应力显微镜（PFM）用于检测 t-BN 在外部应变场下莫尔图案的动力学变化；静电力显微镜（EFM）用于研究莫尔图案的表面电位变化，进而分析其堆叠顺序 。
研究结果
- MD 模拟揭示莫尔图案演变机制：对 1° 扭曲的 t-BN 双层进行 MD 模拟，施加单轴应变后，观察到不同区域原子结构变化。如蓝色和红色三角形代表的相邻 AB/BA 铁电畴，其畴壁 DW1 和 DW2 在应变下表现不同。应变沿 AC 方向时，DW1 高度降低，DW2 增厚，且节点面积随应变增加，C3对称性被破坏，利于特定方向滑动。
通过准静态模拟研究应变下莫尔图案的钉扎情况，发现当剪切方向垂直于单轴应变方向时，钉扎力减小；二者方向一致时，钉扎更明显。分析滑动过程中的全局注册指数（GRI）也证实，滑动方向与应变方向不一致时，潜在波纹随应变增加而减小。
此外，模拟还显示，沿 AC 和 ZZ 方向施加剪切应力会产生不同莫尔图案，应变下莫尔图案边缘变形更显著，且莫尔图案的移动方向垂直于剪切力。结合局部注册指数（LRI）和局部极化注册指数（LPRI），能清晰观察畴壁演变。
- 实验观察 t-BN 的莫尔图案动态特性：实验中，研究人员利用撕裂 - 旋转技术，借助弯曲的聚二甲基硅氧烷（PDMS）制备 t-BN 样品。EFM 和 PFM 测量表明，样品存在莫尔铁电性，相邻莫尔区域呈现相反的面外极化，超胞尺寸约 500nm，对应扭转角约 0.01°。
采用 PFM 针尖施加机械力进行滑动扰动测量，观察到 t-BN 的动态 PFM 响应，识别出三种不规则莫尔图案。I 型近似六边形莫尔图案受 PFM 针尖机械力影响小，仅边缘有轻微变化且移动方向垂直于施加力方向；II 型扭曲拉伸三角形莫尔图案受颗粒钉扎，节点移动使莫尔畴合并；III 型由大应变形成的不均匀长平行条带或一维畴壁，沿长轴方向有明显移动，边界数量动态变化。
研究结论与讨论
研究人员通过理论计算和实验测量，为 t-BN 在应变下的极化切换提供了直接证据。当莫尔图案相对规则（I 型和 II 型）时，实验结果与理论预测相符，即剪切力和应变方向不一致时，伸长的莫尔图案钉扎更容易，且莫尔边缘移动方向与剪切力不重合。但实际应变场使超胞变形更复杂，会形成一维畴壁（III 型），多层、边缘接触、污染物等因素也增加了畴壁移动的不可控性。
总的来说，该研究找到了在纳米尺度可控操纵 t-BN 莫尔图案的有效途径，观察到三种具有相似演变动力学的莫尔图案。理论计算验证了实验中钉扎力降低和莫尔图案移动方向的结果，揭示了通过层间滑动调节极化切换的机制。引入外部应变场，施加扰动机械力可切换莫尔极化，为调控复杂扭曲范德华结构的莫尔铁电性提供了有前景的平台，为二维材料在未来电子器件中的应用奠定了坚实基础，有望推动相关领域的技术革新。
