劳模！最强教授夫妻，4个月已发1篇Nature，3篇大子刊！

这对夫妻档继上月发Nature后，再发Nature Nanotechnology

大家应该都很熟悉康奈尔大学的麦健辉（Kin Fai Mak）教授和单杰教授这对神仙夫妻档了吧。目前，他们在康奈尔大学共同从事二维量子材料的研究，并已在Nature正刊发表了7篇论文，以及近30篇发表在Nature子刊（如Nature Materials、Nature Nanotechnology、Nature Physics、Nature Photonics）的论文。

近日，这对神仙夫妻档又在Nature Nanotechnology上发表他们的最新成果，让作者一起欣赏这对神仙夫妻最近的研究成果吧！

由于其在非易失性存储器件应用中的潜力，二维铁电材料近来备受瞩目。除了原子级薄的铁电材料（如SnTe、CuInP₂S₆和Td-WTe₂），铁电性也已在莫尔异质结构中实现，能够实现相关电子状态和超导的非易失性控制。然而，莫尔捕获电子电位的非易失性电开关以及相关的超晶格效应仍然是一个挑战。

基于此，来自于康奈尔大学的单杰教授和麦健辉教授展示了通过铁电效应切换相关和莫尔带的绝缘状态，以及相关的非线性反常霍尔效应(NAHE)。这是在Td结构的铁电WTe₂双层中实现的，该双层通过与H结构的WSe₂单层对接，诱发了中心-矩形莫尔超晶格。这些结果可以从两个WTe₂单层之间的极化依赖性电荷转移来理解，其中界面层具有更强的莫尔电位；铁电开关因此打开和关闭莫尔雷绝缘状态。作者的研究表明，通过加入内在的对称性破坏顺序，有可能创造出新的功能性莫尔材料。相关成果以“Switchable moiré potentials in ferroelectric WTe₂/WSe₂ superlattices”为题发表在《Nature Nanotechnology》上，第一作者为Kaifei Kang。

Td晶体结构的单层WTe₂由两层碲原子之间的一层钨原子以扭曲的八面体配位组成。该结构是中心对称的，沿晶体b轴有一条镜像线。双层Td-WTe₂是一个拓扑学上微不足道的绝缘体。图1c显示了它的带状结构示意图，其中有一个以布里渊区Γ点为中心的平价带和远离Γ点的色散传导带。这些带通过自发的面外电极化而层极化。

铁电莫尔异质结构

作者通过在双层WTe₂上添加一个单层WSe₂（图1a）来引入莫尔电位。WSe₂单层是H型晶体结构，其中钨原子在三棱柱配位的硒原子之间。WSe₂的人字形晶轴与WTe₂的晶a轴对齐。预计一个近乎中心矩形的莫尔超晶格，沿WTe₂的a轴和b轴的周期分别为6.9 nm和6.4 nm。相应的莫尔纹密度（n_M）约为4.5 × 10¹² cm^-2。这些估计值与通过压电响应力显微镜（PFM）获得的典型排列的WTe₂/Se₂异质结构的实验莫尔纹图案一致（图1b）。两个晶格向量形成一个大约84°的角度。

图1c显示了带状结构示意图，包括对双层WTe₂带状结构的分区折叠效应。直接与 WSe₂ 接触的顶部 WTe₂ 层预计会比底部 WTe₂ 层经历更强的莫尔电位；顶部层的莫尔纹带预计将更平坦。双层WTe₂中这种对层敏感的莫尔纹效应，结合其固有的铁电秩序，构成了本研究中铁电控制莫尔纹电位的基础。

图 1：双层 Td-WTe₂/单层 H-WSe2 莫尔超异质结构

通过铁电性切换莫尔纹电位

为了对比双层WTe₂器件的行为，作者首先检查角度对齐的单层 WTe₂/单层 WSe₂ 异质结构中的密度和电场相关传输特性（图1e）。在图1e中，作者观察到填充因子为ν=0、-1、-2时的电阻峰值。它们对应于WTe₂处于电荷中性时的带状绝缘状态（ν=0），第一莫尔价带完全被空穴填充时的莫尔带绝缘状态（ν=-2），以及半填充莫尔带的相关绝缘状态（ν=-1）。ν=-1、-2的绝缘状态证实了单层WTe₂中平坦的莫尔价带的形成。相比之下，在ν=1，2的电子掺杂侧没有观察到绝缘状态（图2和图3）。这一结果表明，对传导带的莫尔效应大大减弱，这可能是由于WTe₂中的小传导带质量和WTe₂/Se₂异质结构的小莫尔周期。

作者在图2a,b中分别考察了电场正向和反向扫描下的双层WTe₂器件的密度和电场相关的电阻。与单层器件不同，双层WTe₂器件观察到强烈的电场依赖性。特别是，在ν=-1，-2时，主要是在前向扫描中E≲0.3 V nm^-1（图2a）和后向扫描中E≲0.1 V nm^-1（图2b）观察到强大的绝缘状态。在这些临界场附近也观察到一个急剧的电阻跳跃和电场滞后，如图2c中ν=-1的电场依赖性电阻。这些结果证明了铁电开关对莫尔物理学的影响。作者通过绘制磁滞中心附近的密度相关电阻来进一步说明铁电开关的影响（图2d），在正向和反向的场扫描中。这两种情况代表了铁电WTe₂中自发极化P的两种残余状态：后向扫描的正极化和前向扫描的负极化。只有在P<0的情况下，才能观察到与莫尔价带相关的ν=-1、-2的绝缘状态；在P>0的情况下，只有ν=0的绝缘状态依然存在。

图2：通过铁电转换莫尔电位

可变范围跳跃传输

为了进一步了解铁电开关如何影响双层WTe₂中的电荷传输，作者对P<0和P>0进行了温度依赖性研究。图3a,b显示了这两种状态在不同温度下的密度依赖性电阻。金属传输只在电子掺杂的一侧被观察到；在ν=0.7附近也观察到了金属-绝缘体的转变。

图3c显示了P < 0和P > 0的ν = -1时的温度依赖性电阻。对于低于大约100K的温度，电阻R随温度T的变化而变化。图3d中提取了T0的密度依赖性。对于P<0，温度T0在整个空穴掺杂范围内被大大增强；在ν=-1，-2的绝缘状态也观察到额外的增强。结果表明，当P < 0的莫尔电势变得更强时，空穴的额外定位缩短了ξ。

图3 温度依赖性电传输

可切换的NAHE

最后，作者研究了铁电开关对拓扑学传输特性的影响。结果证明了NAHE的铁电开关。在没有莫尔电位（P>0）的情况下，贝里曲率及其偶极集中在WTe₂的导带和价带边缘附近。在电荷中性（ν=0）附近，NAHE很强；V2ω⊥/I2的符号反转。

图 4：通过铁电切换非线性反常霍尔传输

小结

总之，作者已经证明了在角度对齐的双层WTe₂/单层Se₂中通过铁电性实现了莫尔电势的电转换；异质结构形成了中心-矩形莫尔晶格。在整数填充因子下，莫尔里绝缘态的出现完全由自发极化方向控制。铁电开关也可以重新分配动量空间中的贝里曲率偶极子，在莫尔晶格的整数填充处产生强烈的NAHE。虽然实验结果可以根据Hubbard带的形成进行定性理解，但在强相关极限下，Berry曲率偶极在Hubbard带内的分布是未来研究的一个开放性问题；理解跳跃传输制度下的也需要进一步研究。

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来源：高分子科学前沿

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