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二维（2D）材料的合理垂直集成导致了令人兴奋的凝聚态效应，开辟了不同的研究途径。这些有趣的影响是原子级薄材料层之间相互作用的结果，这些材料产生了莫雷超晶格、混合电子结构和打破通常的晶体对称性。石墨烯和双层2H MoS2等材料是中心对称的。相比之下，MoS2等2D材料的奇数层是非中心对称的，属于-6m2点群（或D3h），因此表现出平面内（IP）压电。非中心对称二维材料也会产生第二次谐波发射，可用于确认不存在反转对称性。IP压电分量的大小，称为d11，对于单层MoS2，估计为~2.5至4 pm V-1。-6m2点群的材料不显示 平面外（OOP）压电 。

此前，在少数层的In2Se3中报告了2D材料中的OOP压电，并在MoTe2中引入了硫族元素空位。理论研究探讨了过渡金属二卤化物（TMDC）合金组装成垂直异质结构时的压电性能。最近，在六方氮化硼（h-BN）和TMDC的扭曲层中观察到铁电性质。 扭曲双层铁电和压电的起源源于莫雷晶格和层间滑动的形成。 在菱形同单层TMDCs中也观察到了铁电和压电。然而，在外延生长的、未扭曲的、堆叠的、横向大型垂直二维TMDCs异质结构中，OOP压电和铁电效应还没有实验报道。

香港理工大学 Shu Ping Lau ，中国人民大学 季威 教授和剑桥大学 Manish Chhowalla 等人在 Science 上发表文章，Ferroelectricity in untwisted heterobilayers oftransition metal dichalcogenides，通过堆叠MoS2和WS2的交替层，打破了对称性，而无需扭曲即可实现铁电和压电效应。

作者开发了一种简单的一步化学气相沉积(CVD)工艺，在SiO2衬底上生长出相称的MoS2/WS2异质薄膜，该薄膜具有可测量的OPP铁电性和OOP压电性，尽管WS2和MoS2的单个层为d33=0。

作者通过将杂二分子层为具有自身点群的晶体系统来解释这一观察。在研究的CVD生长的MoS2/WS2异质双分子层中，点群为3m（或C3v），它缺乏垂直对称性来抵消OOP应变效应，因此具有非零d33分量，其大小高达2.09 pm V-1。压电的一个特殊子群也是铁电的；也就是说，它们的内部电极化可以通过外部电场在两个稳定状态之间切换。

已知普通2D TMDC不表现出任何铁电特性。将MoS2/WS2异质二分子归类为3m点群材料表明，它们可能是铁电的。作者通过室温下的压电反应测量来确认这一点。作者演示了基于MoS2/WS2杂质层的铁电隧道结（FTJ），该结使用铁电的可切换性通过器件控制隧道电流密度。

图1. CVD生长的MoS2/WS2异质结双层膜

图2. MoS2/WS2异质双层膜在导电Pt涂层衬底上的PFM数据

图3. MoS2/WS2异质双层膜铁电性

图4. 晶体对称模型

图5. 电荷密度图

文献信息

Rogée et al., Ferroelectricity in untwisted heterobilayers oftransition metal dichalcogenides. Science 376, 973–978 (2022).

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abm5734

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