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本文系统梳理了电子铁电体这一新兴领域的研究进展，从微观机制（自旋、电荷、轨道、电荷转移、激子等）到典型材料体系（多铁性氧化物、分子铁电体、二维范德华异质结等），深入探讨了“纯”电子铁电性（即极化反转不涉及离子位移）的定义、判据及争议，并展望了其在超快、低功耗电子器件和神经形态计算等领域的应用潜力。
引言
铁电材料因其在现代电子学中的关键作用而被广泛研究。传统铁电性源于晶格内离子的位移，而电子铁电体则表现出源于极性电子有序的自发极化。这种电子机制有望使器件具有超快开关速度、更低能耗以及优于传统铁电体的抗疲劳和抗退极化场能力。尽管早期候选材料有限，但新兴体系，特别是二维范德华莫尔异质结，极大地拓宽了材料范围。本综述旨在审视由电子机制主导的铁电体，评估其铁电性是否符合“纯电子”定义，并为这一快速发展的范式建立统一框架。
电子铁电性
传统铁电体的微观机制涉及离子位移或局域电偶极子的有序化。然而，基于贝里相的宏观极化现代理论表明，在具有显著共价特性的材料中，离子视角可能失效，电子自由度可能在铁电性的出现中扮演重要角色。电子铁电性由Portengen等人于1996年首次提出，其铁电转变涉及电子结构而非晶体结构的变化。目前对电子铁电性的定义存在不同观点。本综述提出，“纯”电子铁电体应满足四个基本标准：极化源于电子自由度；相变不伴随晶格畸变；极化切换不依赖离子位移，仅取决于电子重排；不存在晶体结构对称性破缺。而广义的电子铁电体则要求极化由初级电子序参量驱动，且电子极化主导总极化。
多铁性氧化物和过渡金属氧化物中的电子铁电性
多铁性材料同时表现出铁电和铁磁性质，是电子铁电性研究的重要载体。
自旋诱导的铁电性
自旋诱导铁电性的微观机制主要包括自旋流（或逆Dzyaloshinskii-Moriya相互作用）机制和海森堡型交换伸缩机制。自旋流机制在具有非共线自旋结构的体系（如TbMnO3）中发挥作用，其极化源于自旋-轨道耦合。然而，第一性原理计算表明，在螺旋磁体TbMnO3中，离子对极化的贡献可能更大，因此其纯电子性质存在争议。海森堡型交换伸缩机制描述由自旋乘积Si·Sj优化引起的电荷非中心位移，存在于具有共线反铁磁E型序的材料（如HoMnO3）中。尽管该机制产生的极化可以很大，但它通常涉及离子位移，因此不属于纯电子铁电性。
电荷有序诱导的铁电性
当混合价离子形成破坏空间反演对称性的电荷有序图案时，会诱发 improper 铁电极化。LuFe2O4是早期代表材料，其铁电性源于Fe2+/Fe3+的极性电荷有序。然而，后续研究对其电荷有序的极性及铁电性本身提出了质疑，表明材料的精确化学计量对性质有关键影响。最近的研究又为RFe2O4家族的铁电性提供了新的证据。在磁铁矿Fe3O4中，维韦转变后的电荷有序也被认为可诱导铁电性，其中电子贡献可能占主导，但晶格畸变的作用也不容忽视。如果电荷有序是铁电性产生的唯一原因，则 resulting 铁电体是纯电子的，但实际情况往往更复杂。
轨道有序诱导的铁电性
轨道自由度在一些多铁性材料中铁电性的出现中起着核心作用。通过Jahn-Teller效应实现的轨道有序，例如在E型稀土锰酸盐中，可以诱导铁电性，但这涉及电子-晶格相互作用，并非纯电子机制。通过赝Jahn-Teller效应实现的轨道有序，如在SrCrO3超薄膜中，驱动了铁电基态的形成，但同样涉及晶格畸变。通过超交换相互作用实现的轨道有序，基于Kugel-Khomskii理论，可以在如VI3等材料中打破反演对称性，稳定铁磁-铁电基态。然而，这些机制通常都伴随着晶格的变化，因此其铁电性不属于纯电子起源。
有机绝缘体中的电荷转移诱导铁电性
在TTF-CA等有机电荷转移盐中，中性-离子体转变诱导了高达6.3 μC/cm2的铁电极化。理论分析表明，净极化是离子位移引起的极化和π电子云位移引起的更大反向极化之间的差值，电子极化是主要贡献。太赫兹电场实验证实了其极化切换是一个纯粹的电子过程。尽管TTF-CA表现出许多优异的特性（如低矫顽场、快响应），但其空间对称性被破坏，因此根据严格标准，它不属于纯电子铁电体。
二维范德华莫尔系统中的非常规铁电性
二维范德华材料，特别是石墨烯/氮化硼莫尔异质结，为纯电子铁电性的研究开辟了新途径。
BLG/h-BN莫尔超晶格中的层间电荷转移机制
在Bernal堆叠的双层石墨烯/六方氮化硼莫尔超晶格中，观察到了非常规的铁电性。其机制被解释为：在强外电场下，莫尔平带和层极化增强了电子-电子相互作用，导致电子从价带（底层）自发转移到导带（顶层），即发生层间电荷转移，从而产生自发极化。该极化的起源和切换均不涉及离子位移，表明其纯电子本性。但后续研究观测到的远超莫尔带容量的极化，对单纯的层间电荷转移模型提出了挑战。
单层石墨烯莫尔超晶格中的电子-空穴偶极子模型
在单层石墨烯莫尔超晶格中也观察到了电子铁电性，其机制不同于双层石墨烯体系。提出的电子-空穴偶极模型认为，极化源于在不对称莫尔界面由外电场驱动的电子-空穴偶极子。通过切换外电场，注入的电子和空穴的局域态和扩展态会发生交替，从而导致电极化的切换。该过程同样不涉及离子运动，具有纯电子性质。
BLG/h-BN莫尔系统中的激子驱动铁电性
最近的研究提出了BLG/h-BN莫尔异质结中的“激子铁电性”。工程化的层不对称莫尔势导致了层极化的局域和扩展电子态。在局域子系统的特定填充下，扩展载流子的棘轮式注入产生了高度不寻常的铁电响应。分析表明，具有排列矩的偶极激子是驱动力和基本的铁电单元，其宏观排列产生了电极化。这种机制也预示着纯电子的起源。
电子铁电体的非常规应用
电子铁电性为未来铁电器件设计提供了巨大潜力，特别是在高速、高密度非易失性存储器和神经形态计算领域。
多态数据存储
基于石墨烯莫尔超晶格的铁电器件不仅可以实现传统的双态开关，还能通过连续注入载流子实现多个稳定的剩余极化态，从而实现多态数据存储，超越了传统数字电路中的0和1状态。
具有神经形态功能的突触晶体管
石墨烯/氮化硼莫尔异质结可实现低功耗的莫尔突触晶体管。不对称莫尔势产生了稳健的电子棘轮态，实现了滞后的、非易失的载流子注入，从而控制器件电导。这种器件可以模拟多种生物真实的神经形态功能，如可重构的突触响应、基于时空的tempotron和输入特异性适应等，为人工智能和机器学习的高效能存内计算设计和边缘硬件加速器提供了可能。
交替磁性铁电体
最近提出的交替磁性铁电体（III型多铁体）利用交替磁体独特的对称性来实现自旋-铁电锁定。在双层MnPSe3等范德华材料中，面外极化源于层间滑动铁电性，铁电切换会完全反转交替磁体的自旋极化，揭示了具有本征和确定性磁电耦合的新一类多铁体。如果此类材料中的铁电极化是电子性质的，将可能表现出更奇特的特性。
总结与展望
电子铁电体领域虽然充满活力，但关于“纯”电子铁电性的定义和实例仍存在争论。多铁性氧化物和有机铁电体中的电子铁电性往往与晶格畸变耦合，而二维范德华莫尔超晶格，特别是石墨烯体系，为实现不涉及离子位移的纯电子铁电性提供了最有力的候选平台。这些系统不仅展示了纯电子铁电性的基本特征，还揭示了其在多态存储和神经形态计算等前沿应用中的巨大潜力。未来的研究需要在理论验证、实验表征、定量分离电子/离子贡献以及新材料设计等方面继续努力，以推动电子铁电性这一范式的发展，并催生新一代电子和量子器件。
