近期，华东师范大学极化材料与器件教育部重点实验室团队提出了一种多台阶堆叠工程策略，成功突破了莫尔铁电系统中节点钉扎的限制，首次从原子尺度直接观测了转角WSe₂中的莫尔铁电结构起源，并实现了稳健的非易失性极化切换。该研究成果以“Multi-Terraced Stacking Engineering in Moiré Ferroelectric Superlattice”为题于2025年10月28日在线发表于国际权威期刊《Advanced Materials》。
莫尔超晶格作为一种由转角堆叠形成的人工周期结构，已成为探索超导、轨道磁性、拓扑物态等新奇物理现象的重要平台。近年来，莫尔铁电性在六方氮化硼和过渡金属硫族化合物等本征非极性范德瓦尔斯体系中得以发现，其低至纳米尺度的铁电性，为超高密度信息存储与神经形态计算器件的发展提供了新的机遇。然而，具有规则莫尔云纹的铁电体受限于拓扑保护的节点钉扎效应，难以实现非易失性极化反转，严重制约了其在实际功能器件中的应用。因此，如何突破拓扑约束、实现原子尺度下的极化观测与非易失性调控，是当前该领域面临的关键挑战。
研究团队提出了一种边界工程策略，通过在近零转角条件下构建具有台阶结构的WSe₂堆叠体系，消除了规则莫尔云纹中XX节点的钉扎效应，将畴壁的运动几何维度从零维点扩展到一维线，从而实现了畴壁的自由移动与非易失性极化切换。结合压电力显微镜（PFM）和高分辨球差校正扫描透射电子显微镜，首次从截面视角实现了莫尔超晶格中R型堆叠（滑移铁电）、H型堆叠以及C3对称性破缺畴壁结构的原子分辨率成像，为原子堆叠构型与极化分布提供了强有力的实验证据。为进一步验证其铁电极化切换行为，研究团队开展了原位电场调控的PFM实验，观察到畴壁在电场驱动下沿台阶边界发生定向移动，并实现了MX/XM畴比例的精确调控。实验结果表明，切换后的极化状态在撤除外电场后仍可保持，展现出良好的非易失特性。
本研究通过构筑多台阶堆叠的边界工程策略，成功突破了莫尔超晶格体系的极化拓扑的限制，首次从截面视角实现了对莫尔超晶格中滑移铁电堆叠构型与畴壁结构的原子级观测，并展示了非易失性极化切换行为。该工作不仅揭示了莫尔铁电体系中微观结构与宏观极化之间的内在联系，也为未来可编程、非易失性莫尔铁电器件的设计提供了新的技术路径与理论依据，是课题组继“机械力诱导界面层间滑动”、“莫尔超晶格的极化拓扑与滑移铁电”（Nature Communications 2025, 16, 986、Nature Communications 2025, 16, 3557）后又一重要研究进展。华东师范大学为论文第一完成单位，魏鹿奇博士研究生，郑赟哲博士后以及关赵副研究员为论文的共同第一作者，钟妮教授、向平华教授和段纯刚教授为论文通讯作者。合作者还包括华东师范大学极化材料与器件教育部重点实验室的成岩教授、陈斌斌研究员、童文旖副研究员、范文成博士研究生、徐浩文博士研究生和孙伟豪博士研究生。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的支持。
图文导读
图1：多台阶堆叠策略设计与结构表征。（A）R-和H-堆叠中不同构型的原子示意图；（B）不同堆叠构型下的能量势垒；（C-F）有无多台阶堆叠的边界工程策略的莫尔云纹示意图。（G-H）在无台阶堆叠下观测到的三角形规则莫尔云纹及形貌图；（I-J）在有台阶堆叠下观测到的梯形莫尔云纹及形貌图。
图2：莫尔铁电堆叠的原子尺度直接观测。（A）在无台阶堆叠策略的莫尔结构中观察到的横截面HAADF-STEM原子图像；（B） 区域 II 上的 PFM 振幅显示三角形莫尔纹图案（R 堆叠）；（C） 区域 I 上的 PFM 振幅显示六边形莫尔纹图案（H 堆叠）；（D）在多台阶堆叠策略下实际构筑样品的低倍FIB切割图像；（E）横截面HAADF-STEM图像对应于白框内扩大区域的R堆叠和原子排布；（F） MX堆叠的层间电荷密度分布。黄色和蓝色分别表示堆叠后的电子积累和耗尽；（G）横截面HAADF-STEM图像对应于白框内扩大区域的H堆叠原子变化；（H）2H堆叠的层间电荷密度分布。
图 3：边界工程实现非易失性极化切换。（A-B）H-和R-堆叠过渡区横截面HAADF-STEM图像和原子堆叠示意图；（C-D）单台阶堆叠策略下样品的形貌以及初始电势分布；（E-F） KPFM电势分布显示了施加负（正）电场后莫尔畴的演化；（G）多台阶堆叠策略下样品的形貌。蓝色虚线方形区域是施加电场以观察DWs和畴结构演化的区域；（H）采用多台阶堆叠策略的初始 PFM 振幅；（I-J）PFM幅值映射显示了施加正电压（I）和负电压（J）后DWs的运动和相反畴的膨胀和收缩；（K）外加电场下DWs行为和畴结构演化的单台阶和双台阶限制的莫尔云纹演化示意图。
图4：畴壁原子结构与迁移机制。（A） 畴壁过渡区域中可能的原子排列的俯视图和横截面示意图；（B-C）畴壁过渡区域的横截面HAADF-STEM图像及界面原子对齐方式；（D）从PFM幅值中提取DW施加电压后的位移距离，表明从下极化（XM）到上极化（MX）的转变。以及外场刺激下DW运动示意图。
附论文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202514265
