南方科技大学&复旦大学&中国科学技术大学Nat. Commun.:范德华铁电体WTe2亚纳秒极化反转的反常动力学研究

低维 昂维 低维 昂维 2025年8月6日 09:55 

成果介绍

与传统铁电材料相比，新发现的'滑动型铁电体'具有截然不同的极化起源与反转机制。然而，学界对其极化反转动力学仍缺乏清晰认知。

有鉴于此，近日，中国科学技术大学李晓光教授，复旦大学徐长松研究员，南方科技大学王峻岭教授（共同通讯作者）报道了一项在滑动型铁电体WTe₂中实现0.6纳秒的亚纳秒级极化反转的研究，这是迄今为止在范德华铁电体中观察到的最快的反转速度。值得注意的是，传统成核限制模型仍适用于描述该过程。但与常规铁电材料相反，WTe₂中极化反转的激活场会随温度升高而增大。理论分析表明，该现象与WTe₂极化过程的电荷转移特性及独特的滑动反转机制相关。此外，该器件展现出优异的耐久性——在经历10¹⁰次反转循环后仍无疲劳迹象。本研究为理解滑动型铁电体的极化反转机制提供了新视角，为纳米电子学与自旋电子学应用的突破奠定了基础。

图文导读

图1、器件结构与铁电特性。

图2、Td-WTe₂的极化反转动力学。

图3、Td- WTe₂中反转畴的形成及其温度依赖的极化反转特性。

图4、Td- WTe₂的耐疲劳特性。

结论与展望

该研究成功在Td- WTe₂中实现了约600皮秒的极化反转，这是目前实验观测到范德华铁电体中最快的反转速度。更重要的是，研究发现该材料的极化反转激活场会随温度升高而增大，这一现象与传统铁电体完全相反。理论分析表明，极化强度降低、反转势垒增大以及层间摩擦增强是导致这种反常行为的根源。此外，WTe₂展现出无疲劳的反转特性，这可能是滑动型铁电材料的共性特征。

本研究不仅揭示了范德华滑动铁电体独特的新物理机制，显著深化了对其极化反转动力学的理解，更为其在未来纳米电子学和自旋电子学器件中的应用解决了关键性问题。

文献信息

文献链接: https://doi.org/10.1038/s41467-025-62608-x

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