《Small Structures》：Topological Polar Textures in van der Waals Moiré Superlattices
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这篇前瞻性综述系统梳理了范德华(van der Waals, vdW)莫尔超晶格中极化拓扑纹理的最新进展，并与传统钙钛矿氧化物体系进行了对比。文章深入探讨了极性纳米涡旋(如斯格明子(skyrmion)和半子(meron))的形成条件、调控机制及在纳米电子学与信息处理中的巨大潜力。特别强调了通过堆叠、扭转角和应变等方式“按需定制”拓扑纹理的独特优势，并展望了这一新兴领域在新型存储器、神经形态计算和多功能传感器等方面的应用前景。
凝聚态物理的进步激发了对拓扑保护结构的浓厚兴趣，其中晶格、电荷、自旋和轨道自由度的相互作用创造了奇异的实空间纳米纹理，例如自旋或极性序的漩涡（如斯格明子和半子），这些结构在纳米电子学和信息处理应用中展现出激动人心的潜力。其中，电可控的极性纳米漩涡尤其引人注目，尽管此前它们大多局限于复杂的过渡金属钙钛矿氧化物异质结构和超晶格中。范德华铁电体的兴起，现在使得可调谐、真正二维的、可电切换的极性材料成为可能。引人注目的是，极性纳米纹理已在范德华莫尔超晶格中被观察到。
极性纹理在铁电钙钛矿中
在铁电钙钛矿氧化物中，极化主要由长程偶极力和强各向异性主导。极化与晶格强耦合，导致仅有几个晶胞宽度的超薄畴壁，为超小、场可调的极性纳米纹理开辟了可能性。相比之下，铁磁体由短程交换相互作用主导，产生更宽的畴壁。在铁电体中，由于极性格点畸变产生的电偶极子振幅可以变化，这种“可塑性”使得铁电畴壁曾被认为主要是伊辛型(Ising-like)的。然而，过去几十年的研究表明，这种简化观点已不足以描述极化在畴壁上的重新取向。在钙钛矿氧化物中，静电和弹性相互作用已被发现是诱导和稳定复杂极性纳米纹理的关键驱动因素。
莫尔范德华超晶格中的铁电性
二维范德华材料及其异质结构的出现，为应对传统钙钛矿氧化物在纳米尺度及其拓扑极化纳米漩涡方面面临的许多挑战提供了潜在的解决方案。范德华材料由堆叠的原子平面组成，通过强层内相互作用和弱（范德华）层间力结合。通过堆叠非极性（中心对称）范德华系统的原子层，一种人工设计对称性破缺并实现铁电性的新范式已经出现。这可以通过平行堆叠范德华层或以非零“扭转角”堆叠来实现。这种不匹配周期晶格的叠加产生了莫尔超晶格，即堆叠构型的周期性网络。例如，在扭曲双层六方氮化硼(h-BN)中，由于AB和BA构型（不同原子的堆叠）的交替，产生了极性畴网络，这些构型在能量上是简并的但具有相反的面外极化。鞍点区域在AB和BA区域之间形成畴壁，并允许层间滑动机制，在足够的电偏压下，能够实现局部极性态的切换。范德华莫尔铁电体中的铁电性首次报道是通过Bernal（AB）堆叠构型的双层石墨烯中的电子输运测量实现的。通常，双层石墨烯是反演对称的，因此是非铁电的。然而，将顶部和底部的h-BN封装层与石墨烯对齐，引入了莫尔超晶格势，使得电子关联驱动的对称性破缺成为可能，并在低温下实现了合成铁电性。
范德华莫尔超晶格中的极化纹理
开创性的理论工作指导并推动了目前已出现的许多关于扭曲范德华系统中极化纹理的实验研究。这些工作揭示了，在此类系统中，对称性破缺不仅诱导面外极化，还引入了面内分量，从而产生了拓扑非平凡的半子(meron)和反半子(antimeron)网络。重要的是，这些极性纹理的性质受扭转和应变等外部因素支配：扭曲系统有利于布洛赫型(Bloch-type)半子，而应变系统则稳定奈尔型(Néel-type)构型。
早期的实验研究仅报道了其三角形畴网络的面外极化，没有证据表明存在面内极化或拓扑极化结构的出现。这一空白很大程度上是由于静电力显微镜、开尔文探针力显微镜和光致发光等技术有限的空间分辨率和灵敏度，这些技术不适合检测面内分量。面内极化后来通过在适当取向的样品中使用像差校正高分辨扫描透射电子显微镜，或通过角分辨压电力显微镜进行了探测。通过独立收集和分析横向和垂直压电力显微镜响应，既确认了沿畴壁头对尾的面内极化围绕具有交替面外极化的畴顺时针和逆时针旋转，也区分了由扭转或应变形成的拓扑极性结构。
除了对极化纹理的考察，扭曲范德华铁电体领域的研究还在不断扩大其材料库，例如扭曲双层石墨烯。在这种构型中，AB堆叠的双层为石墨烯带来了极性，与另一个双层结合后，允许形成类似于单层h-BN或过渡金属硫族化合物所形成的莫尔结构。因此，扭曲双层石墨烯是莫尔铁电体多功能性的一个典型例子，证明了可以使用缺乏任何原子不对称性的单层来设计铁电行为。
挑战与机遇
制备
实现高产量的均匀拓扑畴网络对于将这些材料转化为实用技术至关重要。目前主要使用三种方法：湿法转移、干法转移和化学气相沉积生长。湿法转移能够以一系列扭转角生产高质量双层，但其主要限制是对最终扭转角的控制相对较差，而扭转角是产生各种极性拓扑结构及其周期性的关键参数。干法转移堆叠中，层被机械地放置在彼此之上，这种方法虽然仍在发展中，但提供了广泛的精确扭转角控制，且避免了化学溶剂，使其成为高质量扭曲范德华样品的有吸引力的选择。化学气相沉积是制备均匀、大面积二维范德华材料的成熟方法，但其在直接以目标扭转角生产层状结构方面的应用相对较新。迄今为止，化学气相沉积大多产生大角度样品，而产生莫尔铁电性所需的小扭转角示例仍然很少。
扭转和应变条件的影响
理解和调控扭转与应变条件对扭曲范德华铁电体性质的影响是一个关键问题。尽管有证据表明特定的纹理与主要机制（扭转或应变）相关，但关于这些纹理如何随条件变化的研究记录有限。由于样品制备中的缺陷，如折痕、折叠和气泡，经常会在扭曲范德华铁电体表面拓扑中形成。这些缺陷可以改变样品的局部扭转角，对其影响进行更彻底的研究将是有益的。
光学和电子学应用
扭曲范德华铁电体的光学性质是一个引人入胜的实验和探索方向。最近已经证实，扭曲范德华铁电体（如扭曲h-BN）可以精确调制相邻单层中的光发射，通过扭转角工程提供亚衍射控制。极化畴限制激子并诱导空间图案化的、滞后的发射，突出了它们在多功能光电器件中的潜力。可调谐的拓扑结构，特别是具有非零净拓扑极化电荷的均匀手性极化纹理，提供了另一个自由度，实现了高度可适应的纳米级光子应用。反过来，这表明此类拓扑结构可以通过光学手段探测，因为拓扑极化纹理会产生奇异的非线性光学响应。观察到的均匀手性极化纹理对样品边缘的复杂静电和拓扑行为也具有重要影响。扭曲范德华铁电体中这种独特的拓扑极化纹理还可以导致这些系统的可调谐电子能带结构，并允许新颖的光电应用和独特功能。
此外，双层/多层莫尔系统固有的强层间耦合表明，畴切换和极化控制可能更稳定和可调，为低功耗电子学和神经形态计算提供了潜在优势。堆叠工程的扭曲范德华莫尔铁电系统将临界厚度推向原子极限，并提供了一种解决传统钙钛矿氧化物所面临的缩放和集成限制的途径。这些结构惊人地允许使用通常非极性的材料实现铁电性，并且不像传统钙钛矿铁电体那样受到CMOS兼容性的限制。有充分记录表明，改变扭曲范德华材料中的扭转角会产生各种不同的物理现象，包括超导性和可调谐的电子能带。因此，扭曲范德华系统为超薄铁电体带来了“可调谐极化”的额外功能层。传统氧化物中的极性斯格明子状纹理与负电容、反常介电常数有关，对低能量、打破玻尔兹曼暴政的场效应晶体管具有重要意义。然而，这些效应仍有待在范德华莫尔超晶格中解决，包括不同的拓扑极性纹理如何影响和调制电子器件中的电子输运。
扭曲范德华多铁性材料
扭曲范德华铁电体也特别有前景，因为它们可以与其他序参量（如磁性）耦合，从而导致多铁性序。铁性序的共存已在范德华磁体中被预测，并可以通过堆叠层来打破反演对称性并诱导极性序来实现。这种极化纹理和磁序的共存为具有强磁电耦合或奇异磁电纹理的二维多铁性材料提供了机会，使得纳米级磁性的电控制成为可能，用于低功耗器件应用。
