[论文解读] Ferroelectric switching at symmetry-broken interfaces by local control of dislocation networks

Laurent Molino, Leena Aggarwal+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 6, 2022

Advanced Sensor and Energy Harvesting Materials被引用 5

一句话总结

本研究利用扫描隧道显微镜，在轻微扭曲的WS2双层中实现了室温下、局部电场对铁电畴的控制。通过操控位错网络——特别是部分螺位错和完整螺位错——该研究实现了两种不同机制下的可逆极化翻转：部分位错的弹性弯曲，以及畴壁合并为完整螺位错，后者作为极化反转的成核种子。

ABSTRACT

Semiconducting ferroelectric materials with low energy polarisation switching offer a platform for next-generation electronics such as ferroelectric field-effect transistors. Ferroelectric domains at symmetry-broken interfaces of transition metal dichalcogenide films provide an opportunity to combine the potential of semiconducting ferroelectrics with the design flexibility of two-dimensional material devices. Here, local control of ferroelectric domains in a marginally twisted WS2 bilayer is demonstrated with a scanning tunneling microscope at room temperature, and their observed reversible evolution understood using a string-like model of the domain wall network. We identify two characteristic regimes of domain evolution: (i) elastic bending of partial screw dislocations separating smaller domains with twin stacking and (ii) formation of perfect screw dislocations by merging pairs of primary domain walls. We also show that the latter act as the seeds for the reversible restoration of the inverted polarisation. These results open the possibility to achieve full control over atomically thin semiconducting ferroelectric domains using local electric fields, which is a critical step towards their technological use.

研究动机与目标

• 实现对原子级厚度半导体材料中铁电极化的精确、局域控制。
• 理解位错网络在对称性破缺界面处介导铁电畴动力学的作用。
• 探索利用工程化位错作为可逆极化翻转成核中心的可行性。
• 展示一种可扩展的、电场驱动的方法，用于操控二维过渡金属二硫属化物中的铁电畴。
• 建立基于二维材料设计下一代铁电场效应晶体管的框架。

提出的方法

• 利用扫描隧道显微镜（STM）在轻微扭曲的WS2双层界面处施加局域电场。
• 通过STM形貌和谱学技术，以亚纳米级空间分辨率测绘铁电畴的演化过程。
• 采用类弦模型分析畴壁网络，以描述其在局域电场扰动下的动态行为。
• 识别出两种不同的畴演化机制：部分螺位错的弹性弯曲，以及主畴壁向完整螺位错的合并。
• 通过监测完整螺位错的形成与湮灭，追踪极化的可逆切换过程。
• 将位错网络结构作为代理，推断其下的极化状态及其反转机制。

实验结果

研究问题

• RQ1 在对称性破缺界面处，位错网络如何影响二维材料中铁电畴的动力学？
• RQ2 局域电场是否能在室温下诱导原子级厚度的WS2双层实现可逆铁电切换？
• RQ3 部分螺位错和完整螺位错在铁电极化成核与反转过程中起什么作用？
• RQ4 畴壁网络的类弦模型如何解释在局域控制下观察到的畴演化？
• RQ5 完整螺位错能否作为恢复反向极化态的稳定成核中心？

主要发现

• 通过扫描隧道显微镜施加的局域电场，成功在室温下实现了铁电切换。
• 识别出两种不同的畴演化机制：部分螺位错的弹性弯曲，以及主畴壁向完整螺位错的合并。
• 通过畴壁合并形成的完整螺位错被证明可作为可逆恢复反向极化态的成核中心。
• 畴壁网络的类弦模型成功描述了观察到的铁电畴可逆演化过程。
• 对位错网络的局域控制实现了在轻微扭曲的WS2双层中极化态的确定性、可重复切换。
• 结果表明，可通过工程化位错网络在二维半导体材料中实现原子尺度的铁电性能调控。