将铁电材料扩展到二维（2D）极限为下一代非易失性储存器件的开发提供了多种应用。其中，传统的铁电性需要由至少两种与极性晶体结构相关的组成元素组成的材料。单层石墨烯作为一种基本的二维（2D）材料，由于其高度中心对称的六角晶格，不太可能表现出铁电有序。

2024年12月30日，西湖大学徐水钢博士，浙江大学辛娜博士在Nature Communications发表题为《Electronic ferroelectricity in monolayer graphene moiré superlattices》的研究论文。Le Zhang为论文第一作者，徐水钢博士、辛娜博士为论文共同通讯作者。

徐水钢，西湖大学独立PI。2009年于武汉大学获得学士学位，2013年于香港科技大学获得博士学位。博士毕业后先后于香港科技大学（导师：王宁教授）、英国曼彻斯特大学（导师：诺贝尔奖获得者、石墨烯之父Andre Geim教授）开展博士后研究工作。2021年入职西湖大学，开展独立研究工作。

徐水钢博士主要从事二维材料及范德瓦尔斯异质结的量子输运特性研究。

辛娜，2013年本科毕业于中南大学，2018年于北京大学获得博士学位（导师：郭雪峰教授）。2018年-2023年在英国曼彻斯特大学开展博士后研究工作（导师：诺贝尔奖获得者、石墨烯之父Andre Geim教授）。2024年入职浙江大学，入选国家高层次青年人才计划。

其主要研究内容：以实现性能优异的低维电子元器件为驱动，充分利用新材料的性能优势和灵活多样的原位调控策略，揭示微纳尺度内电荷输运机制并进一步构建功能化器件。

在本文中，作者报道了通过在石墨烯/h-BN界面引入不对称摩尔超晶格来观察单层石墨烯中的电子铁电性，其中电极化源于电子-空穴偶极子。偏振开关通过对流动霍尔载流子密度的测量进行探测，测量温度可达到室温，表现为标准的极化-电场滞后回路。

作者发现石墨烯摩尔体系中的铁电性在单层、双层和三层石墨烯中表现出普遍相似的特性，表明层极化对观察铁电性不是必需的。此外，作者还演示了这种摩尔铁电结构在多态非易失性数据存储中的应用和多种突触行为的模拟。

这项工作不仅为对铁电性的基本理解提供了见解，还展示了石墨烯在高迁移率和多态非易失性存储器应用中的潜力。

图1：单层石墨烯超晶格中的铁电滞后现象

图2：极化-电场（P2D -E）滞后回路

图3：温度依赖的铁电性和非易失性开关

图4：多功能突触器件

综上，在单层石墨烯摩尔超晶格中发现的电子铁电性不仅丰富了石墨烯的物理性质，而且为探索新型物理现象提供了新的机会。当与石墨烯中的其他性质（如铁磁性、拓扑性和超导性）相互作用时，可能会出现非传统的多铁性和拓扑铁电性等性质。从应用的角度来看，基于单层石墨烯的非易失性存储器和突触器件在高迁移率、高稳定性和多功能性方面具有独特的优势。

Zhang, L., Ding, J., Xiang, H. et al. Electronic ferroelectricity in monolayer graphene moiré superlattices.Nat. Commun., (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-55281-z.