最近，物理学院董帅教授与合作者张毅教授团队在滑移铁电性方向取得新突破。相关研究成果以“双性动态晶体中几何铁电性与滑移铁电性的直接观测(Direct observation of geometric and sliding ferroelectricity in an amphidynamic crystal)”为题8月4日在线发表于《自然-材料》上。
滑移铁电性是由华中科技大学吴梦昊教授于2017年首先提出的一类存在于范德华体系中的新型铁电性。即使其单层为中心对称结构，但其双层或多层的堆叠方式破坏了空间反演对称性，可以产生了面外铁电极化，并且其极化可以通过层间滑移所翻转。随后，国际上诸多高水平研究组（如麻省理工学院、华盛顿大学等）纷纷在氮化硼、二硫化钼双层或少层实验上验证此类铁电性，引起了铁电领域与二维材料领域研究者广泛关注。
但由于这些材料普遍存在铁电极化小、材料绝缘性差等明显问题，因此之前所有的铁电性表征均为间接方式，主要手段是微纳器件的电输运行为、二次谐波、以及原子力显微镜。这些实验提供了滑移铁电性必要但不充分的证据。而最标准的铁电性证据，即电滞回线，之前尚未见报道，这使得滑移铁电性的实验证实还缺少最关键一环。
图. a. 晶体照片。b. 电滞回线。c. 几何铁电起源示意。d. 滑移铁电起源示意。
针对这一问题，董帅教授与合作者张毅教授另辟蹊径，将目光从二维半导体双层转移到了有机无机杂化范德华晶体，尝试在大带隙的晶体来寻找滑移铁电的最直接证据。他们选择的【15-冠醚-5-三-(氯化镉)】由无机CdCl2框架作为定子和有机冠醚环作为转子组成。本工作充分表征了其铁电性，包括最直接的证据-电滞回线。结合理论计算，揭示了其铁电起源为几何铁电性加上滑移铁电性，且其中后者贡献占大多数。
这一工作对滑移铁电性这一铁电新分支提供了强有力的支撑。本工作找到了一种刻画和利用滑移铁电性的简便且可靠途径，也将几何铁电性和滑移铁电性扩展到分子铁电这一领域，深化了对分子铁电的科学认识。
东南大学物理学院为本文的共同完成单位，承担了其中理论计算部分。物理学院博士生丁宁为共同一作，董帅教授为共同通讯作者，李玲龙副研究员参与了实验结果分析。该工作受到国家自然科学基金重点项目支持。计算资源由东南大学大数据计算中心提供。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41563-022-01322-1