天然平行堆叠多层ReSe2半导体中滑移铁电性的发现及其器件应用

研究人员针对传统滑移铁电材料需人工堆叠的局限性，在天然平行堆叠的ReSe2(N≥3层)中首次实现滑移铁电性。通过第一性原理计算和STEM-HAADF观测揭示中间层滑动打破空间反演对称性的机制，测得极化值达-0.67μC/cm2，并演示了可编程铁电二极管和光伏效应，为后摩尔时代硅兼容器件开发提供新思路。

　　

在二维材料研究领域，滑移铁电性(sliding ferroelectricity)因其无需极性晶体的特性成为近年热点。传统滑移铁电材料如BN、MoS₂需通过复杂人工堆叠打破对称性，且多数缺乏原子尺度证据。更棘手的是，现有材料体系层数依赖性强（通常N≥2层），这严重制约了其在微电子器件中的应用潜力。面对这些挑战，山西大学团队在《Nature Communications》发表的研究带来了突破性进展。

研究人员独辟蹊径地选择具有扭曲八面体结构(1T'相)的ReSe₂作为研究对象。这种材料天然存在平行堆叠构型，其低对称性结构和弱范德瓦尔斯层间作用为低势垒层间滑动提供了可能。通过化学气相传输法合成晶体，结合机械剥离技术获得不同厚度的ReSe₂薄片。研究团队运用第一性原理计算、高角度环形暗场成像(STEM-HAADF)、压电力显微镜(PFM)等先进表征手段，系统揭示了材料的结构特性与铁电机制。

晶体结构与光谱特性

2的晶体结构及光谱表征'>
单层ReSe₂呈平行四边形排列（图1a），紫外-可见-近红外吸收光谱显示其带隙约1.1-1.2eV。二阶谐波产生(SHG)信号证实了非中心对称结构特征，偏振分辨SHG呈现典型的四叶草图案，这些均为滑移铁电性研究奠定了材料基础。

理论机制与原子观测
计算表明六层超胞中滑动中间两层可打破空间反演对称性，产生4.37μC/cm²的自发极化（图2）。STEM-HAADF直接捕捉到中间层左右滑动的原子构型（图3c-f），其中图3d显示向上极化状态，与理论预测完美吻合。值得注意的是，这种铁电性仅在N≥3层系统中出现，区别于传统双层体系。

铁电性能验证
PFM测量显示10层样品在±4V偏压下呈现180°相位翻转和蝴蝶形振幅曲线（图4c），证实可逆铁电极化。Au/ReSe₂/Au垂直器件测得-0.67μC/cm²的极化值（图5a），虽低于理论值，但归因于铁电畴的部分翻转。器件还表现出显著的可切换二极管效应，整流比达57倍（图5b）。

光电应用展示
Gr/ReSe₂/Au器件中观察到可编程光伏效应：负极化电压使开路电压(V_oc)从0.08V增至0.13V，而正电压可将其调至-0.01V（图5e）。这种光响应在20次切换循环中保持稳定（图5f），展现出优异的操作耐久性。

该研究突破了人工堆叠的限制，将滑移铁电材料拓展至天然平行堆叠体系。Wuhong Xue等人不仅通过原子尺度观测证实了理论机制，更演示了该材料在存储器、光电探测等领域的应用潜力。特别是中间层滑动诱导的极化调控策略，为设计新型低功耗铁电器件提供了全新思路。这项工作被业界评价为"滑移电子学(slidetronics)发展的重要里程碑"，其提出的材料体系有望在后摩尔时代器件中发挥关键作用。