南京大学物理学院奚啸翔课题组揭示滑移铁电体畴壁主导翻转机制

近日，南京大学物理学院奚啸翔课题组在滑移铁电体研究中取得进展。团队利用剪切模拉曼成像，直接追踪多层3R-MoS₂在垂直电场作用下的堆垛序演化，揭示了畴壁运动在驱动层间滑移和极化翻转中的关键作用。

滑移铁电性来源于范德华层状材料中的非中心对称堆垛。与传统离子位移型铁电体不同，滑移铁电体可通过相邻层之间的面内相对位移改变层间电荷转移方向，从而实现面外极化翻转。近年来，3R-MoS₂等二维滑移铁电材料因其快速极化翻转、高耐久性和器件集成潜力而受到广泛关注。尽管相关研究已取得重要进展，但垂直电场如何驱动层间滑移、畴壁运动是否主导极化翻转，仍缺乏清晰认识。针对上述问题，奚啸翔课题组将基于剪切模的拉曼成像方法引入滑移铁电研究，在多层3R-MoS₂器件中直接追踪电场驱动的堆垛序与畴结构演化，在器件尺度建立了畴壁运动与滑移铁电翻转之间的直接联系，为理解滑移铁电翻转机制和优化器件性能提供了重要的实验依据。

剪切模是范德华层状材料中相邻层发生面内相对位移的层间振动模式，对层间耦合和堆垛方式高度敏感，其特征频率随层数和堆垛序变化。由于滑移铁电体的极化态由堆垛序决定，团队提出利用剪切模拉曼谱探测铁电极化态。基于线性链模型和键极化率模型，团队计算了三层和四层3R-MoS₂不同堆垛构型的剪切模拉曼响应，结果与实验高度一致，证明了利用剪切模区分堆垛序的可行性（图1）。

图1. (a) 3R-MoS₂样品光学照片（左）及基于剪切模频率的拉曼成像（右）。(b) 三层3R-MoS₂典型堆垛序及其对应铁电极化态示意图。水平箭头表示剪切模振动模式。(c) 不同堆垛序下剪切模拉曼光谱的实验结果与理论计算对比。

在此基础上，团队进一步将剪切模拉曼成像应用于双栅场效应器件，在垂直电场作用下原位追踪堆垛序和畴结构演化（图2）。实验表明，铁电翻转由畴壁运动主导。看似连续的单个样品可受机械解理过程中的应力作用而分割为多个区域，这些区域独立翻转并遵循不同路径，说明此类边界会阻碍畴壁传播。研究还发现，畴壁的数量和空间分布决定多层体系的翻转路径。只有相邻层间均存在畴壁时，才可能实现完全极化态之间的翻转。不同区域中间态停留时间差异显著，进一步表明缺陷钉扎与超润滑的畴壁运动共同影响铁电翻转动力学。

图2. 拉曼成像揭示两个典型器件中电场驱动的畴态演化。箭头表示畴扩展方向。虚线标注的边界和畴壁取向对应左上角所示晶格方向。

此外，团队结合光学二次谐波产生测量确定晶轴方向，并分析了样品边界、内部机械分割边界和畴壁的取向，识别出沿zigzag、armchair以及接近二者角平分线的手性方向三类特征取向（图2）。其中，zigzag和armchair方向与已有理论预期相符，而手性取向在3R-MoS₂中普遍出现、在2H-MoS₂中不占主导，提示其可能与3R堆垛序及机械解理过程相关。这一现象超出了现有畴壁模型的描述，也为理解滑移铁电体中畴壁取向和结构边界形成机制提出了新问题。

该工作将剪切模拉曼成像确立为研究多层滑移铁电体堆垛演化和畴壁动力学的有效手段，揭示了机械分割、层间畴壁分布和缺陷钉扎对铁电翻转路径及动力学的关键作用，为阐明翻转机理和优化界面铁电器件提供了新的实验基础。

相关成果以“Shear-Mode Raman Imaging of Ferroelectric Switching in Multilayer 3R-MoS₂”为题，于2026 年5月20日发表于《物理评论快报》[Physical Review Letters 136, 206202 (2026)]。南京大学物理学院博士研究生刘钰璐为论文第一作者，奚啸翔教授为论文通讯作者。日本国立材料研究所Takashi Taniguchi和Kenji Watanabe研究员提供了氮化硼晶体。该工作得到了国家重点研发计划、江苏省自然科学基金、国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费的资助，以及南京大学物理学院、固体微结构物理全国重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心和江苏省物理科学研究中心的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1103/2xv1-t31x