扭转角度调控双层MoS2/WS2异质结构的铁电性能研究及其在存储器中的应用

本综述系统阐述了通过精确控制扭转角度实现双层MoS2/WS2异质结构面外铁电性能的调控机制。研究发现，随着扭转角增大，二次谐波发生（SHG）响应减弱而铁电极化翻转电压升高，理论计算揭示该现象源于莫尔图案引起的极性对称区畸变。基于此构建的铁电半导体场效应晶体管（FeS-FETs）展现出约14 V的大记忆窗口和高载流子迁移率，为滑动铁电器件和扭角电子学（twistronics）提供了创新设计思路。

　　

引言

二维铁电材料因具有原子级厚度、无悬挂键以及与半导体材料兼容的特性，在铁电存储器、晶体管和神经形态计算等领域展现出巨大应用潜力。然而大多数二维材料缺乏铁电性所需的特定晶体结构和电子构型。近年来，扭转工程使非铁电二维材料通过层间滑动产生滑动铁电性，其中莫尔晶格形成、界面工程和能带重构共同作用诱导对称性破缺，为铁电研究开辟了新方向。当前研究多集中于固定扭转角体系，如何调控滑动铁电性能仍是挑战。本研究通过化学气相沉积（CVD）和转移法制备扭转角可调的双层MoS₂/WS₂异质结构，结合二次谐波发生（SHG）、压电力显微镜（PFM）和理论计算，系统揭示了扭转角依赖的铁电特性及其物理机制，并构建出具有大记忆窗口和高迁移率的铁电半导体场效应晶体管（FeS-FETs）。

CVD生长与结构表征

为解决机械剥离法难以精确控制扭转角的问题，研究采用CVD分别生长MoS₂和WS₂单层，通过聚二甲基硅氧烷（PDMS）辅助转移技术主动调控异质结构扭转角。原子力显微镜（AFM）显示异质结构厚度约1.6 nm，拉曼光谱确认MoS₂的E_2g（385 cm^?1）和A_1g（404 cm^?1）模式以及WS₂的特征峰（355 cm^?1和419 cm^?1）。扫描透射电子显微镜和能量色散X射线光谱表明异质结构界面清晰且无堆叠无序。

SHG响应分析

SHG作为对称性敏感探针，在53°扭转角异质结构中观察到堆叠区域信号强度高于单层材料。平行和垂直偏振配置下的SHG信号分别符合I = I₀ cos²3θ和I = I₀ sin²3θ规律，呈现六重旋转对称性及30°角差菱形对称特征，证实其非中心对称结构。随扭转角增大，SHG强度显著降低，表明对称性破缺程度减弱，间接反映了扭转角对异质结构对称性的调制作用。

PFM表征铁电性能

单层MoS₂和WS₂因本征反演对称性无法形成铁电性，而扭转堆叠打破对称性后产生面外可切换极化。PFM测试显示1°和53°扭转角样品均呈现180°相位翻转和蝶形振幅曲线，排除电荷效应后确认铁电极化状态稳定。矫顽电压随扭转角增大而升高，表明铁电性能受扭转角调控。不对称回线源于界面电荷和内部电场效应。

理论计算机制阐释

第一性原理计算表明，无扭转AA堆叠构型沿单元胞对角线滑动时，能量最低点出现在2/3位移处，此时垂直极化方向反转。当引入扭转角（7°–21°）后，莫尔超晶格导致局部极性对称区畸变，平均极化值随扭转角增大而衰减，与SHG实验结果一致。电荷不对称性分析和极化势垒计算进一步证实扭转抑制极化强度的物理机制。矫顽电压升高归因于高对称性材料中极化强度较弱，需要更高电场驱动新畴成核生长。

FeS-FETs器件性能

以金电极分别接触MoS₂（源极）和WS₂（漏极）构建FeS-FETs，I_ds-V_ds曲线非线性表明金与异质结构形成肖特基接触。I_ds-V_gs曲线显示栅压可调载流子传输，顺时针滞后回线证实铁电极化主导记忆窗口（约14 V），优于典型二维铁电材料。界面对称破缺诱导能带弯曲和空穴积累，表现为p型晶体管行为。记忆窗口随扭转角增大而扩宽，与矫顽电压变化趋势吻合，器件在10⁴次循环和10⁵秒测试中保持优异耐久性，迁移率达197 cm² V^?1 s^?1。

结论

本研究建立了双层MoS₂/WS₂异质结构铁电性能与扭转角的关联规律，通过SHG、PFM和理论计算阐明莫尔图案调控对称性破缺的物理机制，并基于此开发出性能可调的FeS-FETs器件，为滑动铁电材料设计和扭角电子学应用提供了重要实验与理论依据。

实验方法

MoS₂和WS₂分别采用CVD法在700°C（MoO₃/NaCl/S体系）和780°C（WO₃/NaCl/S体系）生长，通过PMMA辅助转移实现扭转角控制。表征手段包括532 nm激光拉曼光谱、1064 nm激发SHG、AFM和PFM。器件电学测试使用Keithley 4200-SCS分析仪。理论计算基于VASP软件包，采用投影缀加波方法和PBE泛函，考虑D3范德华修正，Berry相位方法计算极化。