下一代高密度非易失存储、存内计算芯片，将二维滑移铁电视作极具竞争力的候选材料。不同于传统铁电依靠离子位移翻转极化，3RMoS₂这类滑移铁电依靠层间范德华相对滑移产生自发极化，可实现>10¹¹次无疲劳循环，但剩余极化仅0.10.3 μC·cm^-2，信号微弱。器件电学可以测出千万级隧穿电阻比，却无法直接看见堆叠构型、层间耦合以及极化产生的微观电势变化。

在这项Science研究中，最终器件实现TER≈1.9×10⁷、开态电流密度222 A·cm⁻²@0.5 V、13 ns高速开关、>1000亿次循环耐久，这些亮眼器件指标背后，超低频拉曼光谱、拉曼成像、KPFM（开尔文探针力显微镜，AFM电学模块）构成完整微观证据链，完成从材料筛选、物性验证到异质结机理解析的全流程表征。

一、拉曼光谱：判定堆叠物相，解析异质结界面电荷转移

普通光学形貌、AFM形貌只能测量厚度，无法区分2H（无铁电）与3R（滑移铁电）堆叠，拉曼光谱成为第一道质控关卡。

1. 超低频拉曼识别3R堆叠与层数

 

图1采集15层MoS₂的超低频拉曼信号，监测层间剪切模（S_N,N-1）与层呼吸模（LB_N,N-1）振动模式：

随层数增加，剪切模强度显著提升，峰位单调红移；该特征是3R菱方堆叠的光谱指纹，2H堆叠不具备该演化规律。

实际作用：器件制备前快速筛查样品，确认是否为具备滑移铁电活性的3R相，同时标定样品层数，从源头排除物相不纯带来的实验误判。

2. SHG二次谐波佐证非中心对称晶体结构

 

图2为层数依赖的二次谐波测试结果

3RMoS₂1~5层无论奇数、偶数层，均可观测到明显SHG信号，并且强度随层数增加不断上升；对比2HMoS₂偶数层中心对称，SHG信号近乎消失。

超低频拉曼+SHG互相印证，确认样品维持非中心对称的3R堆叠，具备产生面外滑移极化的晶体学基础。

 

3. 高频拉曼与Mapping成像揭示界面静电掺杂机理

该研究器件核心创新机理：Cr/hBN/3RMoS₂/单层石墨烯架构，利用隧穿势垒高度+载流子浓度协同调制实现超高TER；其中石墨烯弱屏蔽电极会被滑移铁电极化场诱导额外电荷转移，该机理的直接光谱证据来自图3G、3H。

 

图3拉曼谱线：纯石墨烯作为基线；2HMoS₂/石墨烯异质结石墨烯2D峰蓝移13.1 cm⁻¹；3RMoS₂/石墨烯体系2D峰蓝移高达23.5 cm⁻¹。超出部分的峰移，来源于滑移铁电极化场带来的额外静电掺杂。

图3H拉曼空间Mapping：2D峰偏移信号在异质结区域空间均匀分布，直接排除局部应变干扰，证实峰移是界面电荷转移效应。

✅拉曼光谱实验数据汇总表

测试项目	实测关键数据	科研应用价值
超低频拉曼光谱	剪切模随层数增强、红移	鉴别3R堆叠，标定层数，前置样品质控
二次谐波SHG	奇偶层均有SHG，强度随层数增大	验证非中心对称晶体结构
石墨烯2D模式拉曼谱	3RMoS₂/石墨烯2D峰蓝移23.5 cm⁻¹	证实极化诱导异质结界面静电掺杂
拉曼空间Mapping成像	峰偏移信号空间均匀分布	排除应变伪信号，锁定电荷转移物理机制

技术优势：非接触无损伤，无需复杂制样，剥离薄片、CVD薄膜甚至加工完成器件都可以直接测试。

二、KPFM开尔文探针力显微镜：定量捕捉看不见的铁电极化电势

PFM压电响应力显微镜可以测出蝴蝶型振幅回线、相位180°翻转，证明极化可以电场翻转；但是PFM信号易受表面陷阱电荷、静电效应干扰，无法给出极化电势的定量数值。KPFM弥补这一短板，纳米尺度定量测量表面接触电势差，直接量化滑移铁电的静电输出。

 

图4 3R-MoS2/Au的压电薄膜显微镜(PFM)表征。振幅电压曲线显示为蝴蝶形回线，相位-电压曲线在相反极性之间呈现约180°的翻转。

图5，对Au衬底上8层3RMoS₂施加外电场，得到向上、向下两种极化状态：

KPFM实测：正反两种极化态之间，表面电势差为0.33 eV；

DFT静电理论计算（图3E）：8层3RMoS₂正反极化理论电势差0.314 eV；

实测值与理论仿真高度吻合！

 

图5（D）极化后 3RMoS₂的表面电势成像。左下：Au 基底上的 3RMoS₂经过铁电极化后，极化方向分别向上、向下的表面电势分布图；左上：对应 3RMoS₂样品的 PFM 图像，标明测试所用样品厚度；右侧：沿左下图中实线提取得到的 KPFM 表面电势线轮廓。（F）分别采用单层石墨烯（1LG）电极与金（Au）电极制备的滑移铁电隧道结，其开态、关态的IV对比曲线。

 

正是这0.33 eV的极化诱导电势偏移，在hBN隧穿层、石墨烯弱屏蔽电极协同作用下被放大，最终实现千万量级隧穿电阻比。如果缺少KPFM定量电势数据，器件优异性能只能停留在电学现象，极化调控机理只能是猜想。

KPFM同时可实现电势面成像，区分真实铁电畴与缺陷、吸附电荷带来的伪信号，与PFM形成交叉验证，规避二维材料研究中非常常见的铁电信号误判。

✅KPFM实验数据汇总表

测试项目	实测关键数据	科研应用价值
KPFM电势成像+线轮廓	正反极化态表面电势差实测0.33 eV	直接定量滑移铁电极化产生的静电输出
DFT静电势仿真对照	理论电势差0.314 eV，和实验匹配	实验理论互证，阐明极化物理本源
联合PFM测试	PFM相位约180°翻转+KPFM电势差	区分铁电本征信号和静电伪影，避免误判

技术优势：纳米空间分辨率，定量获取表面电势，打通宏观器件电学输出和理论仿真之间关键的实验桥梁。

 

三、拉曼+KPFM：滑移铁电完整研究闭环（结合器件性能）

整套研究的完整逻辑链条全部依托两类表征串联落地：

拉曼光谱：确认样品是3R滑移铁电物相，完成材料准入筛查；

PFM+KPFM：确认极化可电场翻转，定量测得极化诱导电势偏移；

拉曼Mapping：解析3RMoS₂/石墨烯异质结极化调控界面电荷转移机理；

器件电学测试输出高性能指标：TER≈1.9×10⁷，J_ON=222 A·cm⁻²@0.5 V，开关速度13 ns，循环寿命>10¹¹次。

逻辑：没有拉曼，不知道材料是不是目标物相；没有KPFM，不知道极化到底产生多大电势；二者缺一，器件优异性能的机理解释就缺少关键实验证据。

 

四、技术延伸：面向二维范德华材料全场景研发

这套“超低频拉曼+拉曼成像+KPFM”表征方案，不只局限3RMoS₂，同样适配1T'ReS₂、αIn₂Se₃等二维铁电、范德华异质结体系，可用于：

新材料筛选：快速鉴别堆叠构型，判断材料是否具备铁电结构基础；

异质结机理研究：界面电荷转移、能带弯曲的实验验证；

CVD薄膜工艺评估：大样品畴区分布、物相均匀性快速筛查；

器件失效分析：区分性能衰减来自物相不纯、界面电荷，还是表面缺陷陷阱。

 

结语

存储器件的性能上限，往往取决于微观表征的探测能力。在这项Science前沿成果中，超低频拉曼看透原子层间堆叠与耦合效应；KPFM捕获微弱极化带来的纳米尺度电势变化。拉曼光谱与KPFM，作为二维滑移铁电领域的“微观双探针”，把原子层之间微弱的层间滑移、极化效应转化为可量化实验数据，为下一代高密度、低功耗存算一体芯片研发，提供强有力表征支撑。

 

参考文献：Wang Y, Zhao Y, Zhang Y F, et al. Giant tunneling electroresistance in sliding ferroelectrics [J/OL]. Science, 2026, 393 (6816):11391144. DOI:10.1126/science.aeh3697

 

 

仪器推荐：

 

CVRam HR300

宽场高分辨显微共聚焦拉曼光谱仪

由贝拓科学自主研发设计生产的显微共聚焦拉曼光谱仪，内置多光谱仪具有可调焦距与高光谱分辨率，满足各种测量需求采用高灵敏度探测器，确保低光强下的高质量数据采集提供高空间分辨率和真正的共焦成像特性，显著提高图像清晰度支持多激发波长的自动切换，方便多样化样品分析配备多个探测器，提升数据采集速度与精度自动偏振功能，实现精确的偏振测量采用反射光路设计，支持宽光谱范围的有效测量光谱范围涵盖50~9000cm^-1。

  

TopSPM 专家型双通道自感知原子力显微镜

SPM 系列自感知原子力显微镜源于中山大学光电材料与技术国家重点实验室,相关技术“达到国际先进 产品的水平”，多项研究成果突破国际封锁和技术壁垒。专家型双通道自感知原子力显微镜兼容激光型探针和自感知探针，

激光型AFM：采用成熟的光束偏转法，信噪比高、成像速度快，适用于常规大气环境下的高分辨率形貌与力学测试，是实验室日常表征的首选。

自感知型AFM：其突破传统AFM光路桎梏，搭载压阻自感悬臂核心技术，无需激光校准、无复杂光路调试，实现纳米级自感知精准探测！极简整机设计大幅降低操作门槛与环境干扰，兼具高灵敏度、低噪声、强兼容性优势，全程稳定捕捉纳米尺度形貌、力学、电学多维信息，让纳米表征更高效、更精准、更便捷！

两种模式可在同一系统上快速切换，互不妥协。可以根据样品环境、分辨率需求或实验场景，灵活选用最合适的检测方式，真正实现“一台设备，覆盖全域”。对于从事电池界面SEI膜研究、原位工况表征、真空或液体环境测试的团队，这款兼容性AFM将是提升效率与数据可靠性的理想工具。