宁波材料所在应变工程调控二维材料层间定向滑移方面取得重要进展

近日，中国科学院宁波材料技术与工程研究所柔性磁电功能材料与器件团队联合宁波东方理工大学和宁波大学在二维滑移铁电体研究中取得重要突破，利用应变工程为原子层厚度的二维滑移铁电体装上“方向盘”，使这种新型二维材料实现了亚纳米精度的层间定向滑移，在定向滑移过程中，能够诱导磁矩并辐射太赫兹波，为太赫兹光源、动态多铁以及亚纳米机电器件设计提供思路。相关成果发表于国际物理学术期刊《Physical Review Letters》。

在信息存储与智能器件的竞赛中，“更小、更快、更省电”是三个关键问题。由滑移铁电体制备的器件，凭借其独特的层间滑移翻转机制和原子级厚度，展现出超低能耗、超快响应和优异耐疲劳特性，被视为下一代非易失存储的重要候选。

所谓滑移铁电体，是一类新型二维范德华材料，其原子层能够通过相对滑动，“对齐（AB）”与“错开（BA）”两种堆垛构型，实现垂直方向的极化翻转，天然对应着信息存储所需的两个状态。

然而，理想单畴结构的滑移铁电体，内部存在多条对称等价的滑移路径。以双层氮化硼为例，其六角晶格具有三重旋转对称性，具有三条等价滑移路径，原子层沿哪一条路径滑动，材料自身说了不算。这意味着，外加电场下原子层可能无法滑移，因此材料层间堆垛和极化状态难以精确控制。如何让原子层在二维原子世界里沿指定方向滑动，是领域的一道难题。

研究团队以双层氮化硼材料为范例，利用AI辅助跨尺度模拟计算方法，在超级计算机中搭建起一间“数字实验室”：先用从量子力学基本方程出发的第一性原理计算，澄清材料中电子结构及与应变的耦合机制；再借助AI辅助的深度势能分子动力学模拟，就像架设起一个超高分辨的微观摄像机，追踪数百万个原子在飞秒分辨率上的集体运动轨迹。

在此基础上，团队沿单一方向对材料施加单轴应变，打破其原有的三重旋转对称性，构建出一种由非本征机制主导的方向锁定层间滑移。

研究发现，在外电场下，原子层只能由BA堆垛通过单一路径滑向AB堆垛，如同驶入一条预设好的“单行道”，实现了层间的定向锁定滑移与极化翻转，与此同时，在三条路径中，通过应变选择其中一条特定滑移路径。完成一次极化翻转仅需约1.7皮秒，比传统铁电材料快3至4个数量级。此外，在层间定向滑移过程中，还存在晶格的振荡，从而诱导动态磁矩和太赫兹波，能够为太赫兹光源、动态多铁以及亚纳米机电器件设计提供新思路。