揭示范德华铁电体原子尺度切换路径：SnSe中反铁电-铁电相变机制与应变调控研究

为解决二维vdW铁电体极化切换路径不明确的问题，研究人员通过原位偏压STEM成像与DFT计算，揭示了SnSe中90°与180°两种切换路径的共存机制，发现切换过程伴随层间滑移与压应变，为原子尺度设计二维铁电纳米器件提供了关键理论基础。

　　

随着半导体器件尺寸持续微缩，二维范德华（van der Waals, vdW）材料因其与硅基技术的兼容性以及可在原子厚度保持铁电性（Ferroelectricity, FE）的特性，成为下一代非易失性存储器和逻辑晶体管的理想候选材料。然而，vdW材料中层间较弱的相互作用使得层间滑移（interlayer sliding）易于发生，这导致其极化切换机制比传统铁电体更为复杂，尤其是本征二维vdW铁电体如IV族单硫属化物（MX, M=Ge/Sn, X=S/Se/Te），其切换路径与能垒一直缺乏原子尺度的实验观测与理论阐释。

近日发表于《科学·进展》（SCIENCE ADVANCES）的一项研究，通过结合原位电学偏压下的原子分辨率成像与第一性原理计算，首次揭示了SnSe这一典型vdW铁电体中原子尺度的切换机制。研究发现，从反铁电（Antiferroelectric, AFE）序到铁电序的转变过程中，存在两种能量有利的切换路径共存：连续的90°切换路径和直接的180°切换路径。这一发现不仅阐明了vdW铁电体切换的动力学与热力学竞争机制，还为二维铁电纳米器件的理性设计提供了重要依据。

研究团队主要采用了以下关键技术方法：利用物理气相沉积（PVD）法制备SnSe薄片，通过微机电系统（MEMS）芯片实现原位电学偏压，并借助像差校正扫描透射电子显微镜（STEM）进行原子分辨率成像；结合几何相位分析（GPA）和原子位置拟合定量应变分布；采用密度泛函理论（DFT）计算能垒与切换路径，并利用固态微动弹性带（SS-NEB）方法模拟中间态能量变化。

能量景观与SnSe中的切换路径

通过DFT计算，研究团队绘制了SnSe多层体系的铁电与反铁电序能量景观。结果显示，AFE序仅存在一种稳定堆叠构型AB′（0.3a, 0），而FE序则存在亚稳态的AC（0, 0.5b）和AB（0.5a, 0）堆叠。从AB′ AFE基态出发，计算发现两条切换路径：路径1（90°路径）需经过两次连续90°切换并伴随长程层间滑移，最终形成热力学稳定的AC FE相，能垒为2.6 meV/atom；路径2（180°路径）通过直接层间滑移与180°极化翻转形成亚稳态AB FE相，能垒仅为1.2 meV/atom。两种路径的能垒与终态能量差较小，预示外加电场下可能共存。

原子尺度的原位切换观测

利用原位偏压STEM成像，研究团队直接观测到SnSe在约50 kV/cm电场下的切换过程。切换后样品形成非均匀但晶格共格的多域结构，包括未切换的AB′ AFE域、中间态锯齿形域（AB′/AC堆叠）以及完全切换的AB/AC FE域。统计表明，90°路径形成的AC FE域占比更高，反映热力学驱动优势。所有切换态均保持数小时稳定性，得益于域钉扎效应抑制层间滑移。

切换过程中的应变演化与畴壁形成

应变分析显示，切换过程中所有中间态与终态均产生约6.5%的压应变，与SnSe面内铁弹应变（~7%）一致，表明应变源于铁弹切换。应变通过保持晶格共格性稳定了亚稳态FE相。畴壁结构的原子分辨成像揭示了AFE-锯齿域与AFE-FE域之间的应变梯度过渡，其中AFE-FE畴壁处观察到180°路径的中间态AB超晶格结构（~10 pm原子错位），而AFE-锯齿畴壁则呈现平滑的层间滑移过渡（~70 pm错位）。

该研究通过原子尺度实验与理论计算的深度融合，揭示了vdW铁电体SnSe中极化切换、层间滑移与晶格应变的内在耦合机制，发现90°与180°两种切换路径的动力学与热力学竞争关系。这一成果不仅深化了对二维铁电体切换动力学的理解，还为设计基于MX材料的非易失存储器、逻辑晶体管、非线性光电器件及神经形态系统提供了关键理论基础与技术途径。