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近日，光电科学与工程学院刘富才教授团队在《自然·通讯》(Nature Communications)上以“Observation and manipulation of two-dimensional topological polar texture confined in moiré interface”为题，发表了滑移铁电体系拓扑极性结构调控的最新研究成果。该研究通过压电响应力显微镜和扫描透射电子显微镜技术，直接观察了转角氮化硼系统中原子级厚度的拓扑极化结构，并利用滑动开关机制和原子级厚度的优势，展示了对这些拓扑极化畴的非易失性操控能力。电子科技大学光电科学与工程学院为第一完成单位，电子科技大学光电科学与工程学院博士生潘二、李泽芬和杨帆为共同第一作者，刘富才教授、刘庆副教授以及南方科技大学林君浩教授、复旦大学李文武教授为共同通讯作者。
铁电材料因其独特的自发极化特性，在非易失性存储器、神经形态计算、可编程逻辑器件等领域发挥着重要作用。随着电子器件向更小尺寸、更高集成度的发展，传统铁电材料在极化调控上面临诸多挑战。拓扑极化结构具备优异的稳定性和新奇的物理特性，在先进存储和计算应用中具有巨大潜力。然而，其形成和操控通常依赖于特定的异质结构或超晶格，并受限于复杂的能量景观，使得拓扑极化的可编程性和可拓展性大打折扣。此外，传统铁电材料在缩小至纳米尺度后极化性能往往大幅衰减，难以满足未来超低功耗信息存储和计算技术的需求。因此，如何在原子尺度上精准构筑和调控极化结构，成为突破铁电材料应用瓶颈的关键。近年来，滑移铁电作为一种新型的界面铁电极化新机理，为铁电物理和器件研究提供了新器件，也为调控拓扑极化结构提供了全新思路（图1）。
图 1 具有微小扭曲角的转角氮化硼的原子堆叠和表面电位
在团队前期滑移铁电抗疲劳特性（Science 385, 57 (2024)）、层数依赖极化调控（Nature Communications 13, 7696 (2022)）的研究基础上，本研究基于高分辨显微技术，对滑移铁电的原子级拓扑极化结构进行研究。通过压电响应力显微镜和扫描透射电子显微镜的结合，清晰揭示了这一拓扑极化结构的空间分布及其局域极化特性。研究发现，相较于传统铁电材料，转角氮化硼的拓扑极化结构不仅能稳定存在于界面，还能通过层间滑移实现非易失性调控，展现出独特的极化开关机制（图2）。
图 2转角氮化硼中的水平压电响应力显微镜映射以及相应面内压电响应矢量图
此外，得益于转角氮化硼的原子级厚度和可控的层间相互作用，稳定的极化特性可在极薄层中实现，突破了传统铁电材料在尺寸缩小过程中面临的极化衰减问题。实验进一步表明，这种拓扑极化畴结构可以通过外部应变进行动态调控，赋予其高度的可编程性和低能耗特性，为下一代智能电子器件提供了极高的设计自由度。这一研究成果不仅加深了对拓扑极化现象的理解，也为基于二维铁电材料的新型电子器件设计与应用提供了全新的思路，为下一代高性能、低功耗电子技术的发展奠定坚实基础。
该研究在材料表征方面得到电子科技大学分析测试中心的设备支撑和技术支持，这也是团队继Science、Nature Communications之后，在分析测试中心支持下产出的第三篇高水平成果。研究开展受到了国家自然科学基金,国家重点研发计划，四川省科技计划等项目的支持。
作者简介：刘富才，电子科技大学光电科学与工程学院教授、国家青年人才、四川省特聘专家、四川省学术与技术带头人。聚焦新型低维半导体材料与新原理器件研究，在国家自然科学基金、国家重点研发计划、四川省科技计划等基金支持下，在二维铁电新物理、新原理器件方向取得系列原创性成果。荣获饶毓泰基础光学奖优秀奖、2DM青年科学家奖、川渝科技学术优秀论文特等奖、中国电子教育学会优秀博士论文指导教师奖等奖项；以第一/通讯作者（含共同）在Science、Science Advances、Nature Communications、Advanced Materials等高水平期刊发表论文60余篇，研究成果被Nature Review Materials、Nature Photonics、Physics World等亮点报道。
编辑：助理编辑 / 审核：王晓刚 / 发布：陈伟
