【编辑总结】
扭曲的二硫化钼双层中电场的观测揭示了依赖于扭曲角度的平面手性涡旋结构。本文利用四维扫描透射电子显微镜（4D-STEM）和第一性原理计算，确定了局部极性畴结构，这些结构可能源自于扭曲堆叠引起的电荷重新分布以及小幅的平面离子位移。对于较大的扭曲角度，观察到了镶嵌状的手性涡旋模式。在一个具有12重准晶对称性的双层结构中，涡旋模式复杂多样，并且可以通过显微镜内层间的位移进行调控。— Phil Szuromi
【研究背景】
随着二维材料研究的深入，双层二维（2D）材料的电子特性和结构特性引起了广泛关注。其中，扭曲双层二硫化钼（MoS2）作为一种新型的二维材料，其独特的堆叠顺序和层间相互作用使其在基础研究和应用方面均表现出重要潜力。扭转角度的变化引起了材料的能量状态和相互作用的显著变化，促使科学家们探索通过调控扭转角度来实现新型电子特性的可能性。
然而，现有研究主要集中于小角度扭曲下的层间电子相互作用，较大角度的扭曲如何影响双层材料的极性场及其拓扑特性仍然不清楚。在大扭转角度（θt > 8°）下，双层材料进入不一致区域，原有的长程有序平移对称性被打破，从而可能导致复杂的电场分布和拓扑结构的形成。尽管如此，研究表明不一致结构的层间耦合可能具有非平凡的特性，但对于拓扑极性纹理的观察仍然较为困难，这使得对这些现象的理解和应用存在挑战。
为此，香港城市大学Thuc Hue Ly教授，香港理工大学赵炯教授，杨明助理教授合作在“Science”期刊上发表了题为“Polar and quasicrystal vortex observed in twisted-bilayer molybdenum disulfide”的最新论文。他们采用了四维扫描透射电子显微镜（4D-STEM）和第一性原理计算，系统研究了扭曲双层MoS2中的局部拓扑极性电场及其与扭转角度的关系。研究发现，扭曲引起的莫尔超结构使得MoS2中的拓扑涡旋场不仅呈现平面取向，而且在广泛的扭转角度范围内展现出可调性，这与传统铁电材料中的电场分布有显著区别。
本研究解决了在扭曲双层MoS2中观察到的拓扑极性纹理的难题，揭示了扭转角度对局部极性场的影响及其调控机制。通过结合实验与理论，研究团队进一步确认了在较小扭转角度下的滑动铁电性与在较大角度下观察到的复杂极性模式之间的关系。这一发现为调控二维材料的电特性提供了新的思路，并为未来基于扭曲二维材料的器件应用奠定了理论基础。
【科学亮点】
1）实验首次观察到了在扭曲双层二硫化钼（MoS2）中存在的平面拓扑极性电场，通过四维扫描透射电子显微镜（4D-STEM）和第一性原理计算相结合的方式，揭示了其与扭转角度之间的关系。
2）实验结果表明，在小扭转角度（θt < 3°）下，双层MoS2保持一致性，而在较大角度（θt > 8°）下，层间晶格结构进入不一致区域，导致出现复杂的莫尔超晶格和电荷密度波现象。与传统铁电材料不同，扭曲的二维材料表现出可调的拓扑涡旋场，并在较大的扭转角度下展现出更复杂的拓扑极性模式，包括具有12重旋转对称性的极性准晶结构。
3）通过对实验数据的分析，发现局部电偶极矩导致了自发极化域的形成，这些域的存在是由维度约束、错配弹性能量和界面电荷效应之间的平衡所促成。这些非平凡的拓扑配置有助于进一步理解二维材料中的电子相互作用，并展示了其在电子器件中的潜在应用。
【图文解读】
图2. 极性场分布与扭曲角度的依赖关系。
图4. 在30°扭曲双层准晶MoS2中对Stampfli单元的原位透射电子显微镜操控。
【科学启迪】
本文通过4D-STEM技术观察到的平面极性涡旋及其与层间位移的相关性，揭示了准晶体镶嵌配置在调控局部电场中的重要作用。这一发现表明，精确控制扭转角度和层间位移可以实现对材料电子特性的调节，为开发新型电子器件奠定了基础。其次，本文强调了拓扑结构在低维材料中的普遍性，拓宽了我们对拓扑极性结构的理解。这一研究结果不仅为探索低维材料的量子行为提供了新的视角，还为未来在高密度信息存储和处理领域的应用指明了方向。最后，实验与理论相结合的方法论，为后续研究提供了有力的参考，促进了在其他二维材料及其异质结构中发现新现象的可能性。因此，本文为拓扑极性结构的调控与应用提供了重要的科学依据，推动了材料科学及纳米技术的进一步发展。
文献信息：
Chi Shing Tsang et al. ,Polar and quasicrystal vortex observed in twisted-bilayer molybdenum disulfide.Science386,198-205(2024).DOI:10.1126/science.adp7099
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