香港理工香港城大最新Science，二维转角的涡旋极化和准晶

【科学背景】

很多传统意义上的非铁电材料在二维材料中都能够表现出稳定的铁电极化现象，这里面的原因有很多，如由于维度减小晶体对称性被打破，或者由于表面效应导致。例如层间滑移在双层六方氮化硼（hBN）或者过渡金属硫族化合物（TMD）材料中导致的面外极化。而在一些铁电氧化物中，维度约束、晶格错配弹性能和界面电荷效应还可以导致产生一些非平凡的拓扑涡旋电极化结构，例如skyrmion、meron和vortex结构。二维双层转角结构近期引起了广泛的研究兴趣，特别是小角度扭转角带来的能带变化和特殊平带结构。但是，人们尚未了解扭转带来的空间电场变化，特别是大角度扭转带来的空间极化电场。

【创新成果】

基于此，香港城市大学李淑惠教授、香港理工大学赵炯教授和杨明教授等人在Science发表了题为“Polar and quasicrystal vortex observed in twisted bilayer molybdenum disulfide”的论文，报道了在转角双层二硫化钼（MoS₂）中观察到的拓扑电场结构。他们利用四维扫描透射电子显微方法（4D-STEM）发现了在小转角下周期性摩尔条纹图案对应的拓扑涡旋极化畴，阐明了局域原子结构和空间三维电场分布的相关性，并且利用第一性原理计算解释了其中的离子和电子极化机理。而在接近30°转角的非共格准晶结构中，扭转更导致十二重旋转对称的准晶涡旋极化图案的产生，而且能够通过皮米尺度的层间滑移来对这些极性畴进行调控。

此处插入AAAS网站文章截图

【数据概览】

图1、二维转角MoS2中的拓扑极化电场分布 © 2024 AAAS

图2、涡旋极化结构的转角依赖性 © 2024 AAAS

图3、二维30°转角MoS₂的准晶结构 © 2024 AAAS

图4、转角准晶畴结构的原位操纵 © 2024 AAAS

【科学启迪】

综上，这些二维材料中极性涡旋结构的发现使得以往很难在普通铁电材料中得到的拓扑涡旋极化畴可以简单通过二维层状材料的层间扭转来实现，也可以通过层间转动和滑动来操纵和调控。这为纳米和原子尺度量子功能调控提供了新方法，也为未来高密度信息存储和处理开辟了广阔前景。

原文详情：Polar and quasicrystal vortex observed in twisted bilayer molybdenum disulfide (Science 2024, XXX, XX-XX)

论文第一作者：曾志成，郑晓东，杨通

论文通讯作者：李淑惠，赵炯，杨明