近年来，由二维材料层间扭转/晶格失配形成的莫尔超晶格，因展现出诸如平带、超导、莫尔激子等新奇物理现象，已经成为凝聚态物理与材料科学等领域的研究前沿。尤其在近零转角体系中，通过晶格弛豫形成的特殊堆叠构型可打破空间反演对称性，诱导出界面铁电性。值得注意的是，不同于铁电畴结构区域，莫尔边缘作为连接不同铁电畴的较高能区域，蕴藏着丰富的物理性质，例如极性拓扑畴结构（Nature Communications 2025, 16, 3557）等。然而，莫尔边缘处的极化切换物理机制，特别是结构动态与应变响应行为间的关联性等科学问题，至今仍不清晰。
研究团队发现，在极小转角的平行堆叠WSe2双层中，莫尔边缘存在两种截然不同的形貌状态：凸起与凹陷。凸起的边缘高度高于周围区域，而凹陷的边缘则低于周围区域。有趣的是，莫尔边缘可在凸起与凹陷两种构型间发生可逆转变，同时伴随着机电响应（相位衬度）的改变。具体来说，凸起边缘对应“上-上-下-下”型面外极化分布，而凹陷边缘则呈现“上-下-上-下”型交替式多极化态。通过施加大小适中的局域压力，可实现边缘形貌从凸起到凹陷的可逆几何相变以及伴随的面外极化反转行为。这一过程具有明显的形状记忆特性，即在撤去外部压力后，边缘可恢复至初始凸起状态，展现出良好的循环稳定性。分子动力学模拟解释了该相变的微观机制：当探针施加局域压力时，莫尔边缘处会产生层间滑移，促使堆叠方式发生改变，实现极化方向调制。
该研究工作系统揭示了莫尔边缘在外界应变作用下的由层间滑移驱动的结构相变与极化反转行为，揭示了其在应变场下的高度柔性与可调性。研究还指出，此类相变行为在其它扭曲莫尔体系（如氮化硼）中同样存在，具有普适性。这一发现不仅深化了对二维界面铁电体中极化切换机制的理解，也为柔性电子器件、低功耗存储器和应变传感器等设计提供了新思路，是课题组继“机械力诱导界面层间滑动”（Nature Communications 2025, 16, 986），“莫尔超晶格的极化拓扑与滑移铁电”（Nature Communications 2025, 16, 3557）与“莫尔铁电边界工程”（Advanced Materials 2025, e14265）后又一重要研究进展。
华东师范大学为论文第一完成单位，关赵副研究员，范文成博士研究生以及魏鹿奇博士研究生为论文的共同第一作者，华东师范大学的钟妮教授，关赵副研究员和南京工业大学的曹伟教授为论文的通讯作者。合作者还包括段纯刚教授，童文旖副研究员，陈斌斌研究员，向平华教授，孙伟豪博士研究生和东南大学的万能副研究员，田明博士研究生。研究工作获国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海市科技创新行动计划和华东师范大学优秀博士生提升计划的资助，并得到了极化材料与器件教育部重点实验室、上海类脑智能材料与器件研究中心和华东师范大学公共创新服务平台微纳加工中心等平台的支持。
图文导读
图1. t-WSe2的高度分布与机电响应。（A）微小扭转角的平行堆叠WSe2双层的原子结构。（B）通过DFT计算得到的沿扶手椅方向层间滑动过程中势能、层间距离（沿法线方向的W–W距离）和极化（静电势能差）的演变。x轴中的b是WSe₂的晶格常数除以。图中展示了四种典型堆叠顺序的示意图（侧视图）。(C) t-WSe2/石墨烯/SiO2/Si的光学图像。（D）PFM测量示意图。（E）具有凸起和凹陷形变的t-WSe2形貌图。（F–H）t-WSe2对应的（F）振幅、（G）相位和（H）振幅×cos（相位）图像。
图2：形貌与机电响应之间的关系。（A）同时存在凸起和凹陷形变的形貌图。（B）经过公式校准后对应的PFM机电响应（振幅×cos(相位))。（C）图A中白色虚线框区域R1放大后的形貌图及（D）对应的PFM信号。（E） 图A中白色虚线框区域R2放大后的形貌图及（F）对应的PFM信号。（G，H）形貌与极化关系示意图。
图3：t-WSe2的动态PFM行为随法向压力的变化关系。（A）在1.5 nN压力下具有凸起和凹陷边缘的PFM形貌图，（B）振幅图和（C）相位图。（D）在6 nN压力下具有凹陷边缘的PFM形貌图，（E）振幅图和（F）相位图。（G）图A中黄色虚线箭头标注区域的线性分布曲线。（H）图C和图F中白色虚线箭头标注区域的线性分布曲线。（I）随法向压力增加，边缘区域相变与极化切换过程的示意图。（J）t-WSe2双层结构中凸起（左图）与凹陷（右图）莫尔条纹边缘的原子结构。每幅图均包含俯视图和侧视图。
图4：通过MD模拟研究t-WSe2莫尔边缘的结构演化。（A） 扭转角θ = 1°的t-WSe2双层莫尔图案。结构尺寸为111.2 nm × 64.2 nm。颜色映射表示顶层的的高度分布。（B）模拟模型的瞬态图，包括t-WSe2表面的Pt针尖。箭头指示针尖的扫描方向。（C）扫描过程中通过探针检测到的跨越莫尔边缘的表面高度变化。实线由模拟直接获得的虚线数据平滑处理得到。该线性分布图沿着图A中黄色虚线标记的路径。x = 5.5 nm处为莫尔边缘的中心位置。（D）在针尖法向压力作用下t-WSe2双层的局部结构及极化分布图。四个极化分布图分别对应图C中标记为a-d的数据点。极化分布图采用局部极化注册指数模型进行表征。
论文链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.5c12740
