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Nano Letters｜原位低温扫描透射电子显微镜（cryo-(S)TEM）揭示MoTe₂层间滑动诱导的偶极子形成与可逆相变
产品： Arctic 原位冷冻热电杆
关键词：原位冷冻热电样品杆，STEM，STEM 原位实验，DENSsolutions
日期：2026-06-26
发表文章：
Direct Observation of Dipole Formation Triggered by Interlayer Sliding at Atomic Level in Semimetal MoTe2
发表期刊：
Nano Letters
原文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.5c02590
使用仪器型号：
DENS Lightning Arctic 原位冷冻热电样品杆
01
研究背景：
二维材料的“滑移电子学（Slidetronics）”
过渡金属硫族化合物（如 MoTe₂ 和 WTe₂）因其奇特的量子现象（如极大磁阻、外尔半金属态、超导性与铁电性共存）而备受关注。
在临界温度（约 260 K）下，半金属 MoTe₂ 会发生相变：从高温的单斜非极性 1T' 相转变为低温的正交极性 Td 相。这种相变打破了空间反演对称性，诱导出面外(out-of-plane)偶极矩。而实现这种相变和极化翻转的关键微观机制，正是相邻原子层之间的相对层间滑移。
02
存在的挑战/问题
原子级观测极其困难：虽然理论上知道是“层间滑移”导致了相变，但在极低温下，要在原子分辨率级别实时捕捉这种伴随温度变化的层间滑移过程，并清晰分辨出多层结构的堆叠顺序，对显微表征技术提出了极高的挑战。
极化形成机制不明确：在降温过程中，1T' 相是如何一步步演化出局部的 Td 相的？相界面的微观结构是怎样的？这些动态演化过程一直是未解之谜。
03
本研究的创新解决之处
原位冷冻电子显微学（In situ cryo-STEM）的绝佳应用：借助 DENSsolutions 原位冷冻系统，研究团队成功在 110 K 至 300 K 的宽温区内，以原子级分辨率（HAADF-STEM）追踪了 MoTe₂ 层间滑移的全过程。
首次揭示极化畴的“步步为营”：研究首次直接观察到在降温过程中，局部 Td 相（极性）并非从已有的 Td 畴壁中生长，而是在 1T'-I 相基体内部逐步形成；并且在 110 K 时，观察到了 1T'/Td 相的无序混合堆叠（缺乏长程有序性，但具有短程 Td 堆叠局域结构）。
04
证据链详解（ Figure 主图解读）
作者首先确立了 1T'-I、1T'-II 和 Td 相的晶体模型，并通过不同方向的“箭头”直观标记相邻层的相对位移（滑移方向）。在降温至 110 K 时，高分辨图像（ Figure 2 ）显示，巨大的 1T'-II 畴被撕裂成许多小畴，并在其内部优先成核形成了纳米级板状的 Td 畴壁。这直接证明了低温触发了层间剪切位移。
Figure 1 & 2：极低温下（110 K）的相变形貌捕捉
Figure 1 & 2：极低温下（110 K）的相变形貌捕捉
这是本文的核心动态证据（也是原位技术的魅力所在）。
降温（Figure 3）：作者追踪了具体的 23 个原子层。随着温度从 300 K 降至 193 K，原本存在的畴壁消失，自发的层间剪切位移启动。研究清晰地看到非极性的 1T'-II 相逐渐转变为极性的 Td 相（厚度达到6层）。
升温（Figure 4）：当温度再次回升至 300 K 时，极性 Td 相又通过滑移转变为非极性的 1T'-I 相，证明了该结构相变是随温度完全可逆的。
在 110 K 时，系统并没有形成完美的理论 Td 相长程有序结构，而是呈现一种 1T'/Td 混合堆叠的“受阻/亚稳态”（这里又呼应了我们之前讨论的“阻挫”概念，系统在热力学和动力学之间达到了一种短程有序的妥协）。
密度泛函理论（DFT）计算揭示，从 1T' 过渡到 Td 相存在两条可能的滑移路径，其能垒极低（仅为 2.7 和 5.3 meV/u.c.）。这种极低的能量势垒完美解释了为什么仅仅依靠温度的降低（热力学驱动），就能克服阻力，实现层间滑移和极化翻转。
Figure 5：混合堆叠状态与 DFT 理论计算交叉验证
05
研究意义：
这篇文章不仅仅是材料科学上的一次观测突破，更是对 “滑移铁电（Sliding Ferroelectricity）” 概念的强有力支撑。通过外部刺激（如温度、电场）精准控制二维材料的层间滑移，从而改变其对称性和极化状态，这为未来开发**原子级厚度的非易失性存储器件（Nonvolatile memory devices）**和超低功耗逻辑晶体管提供了坚实的实验和理论基础。
了解更多 DENSsolutions TEM 原位解决方案与应用案例，欢迎咨询热线：400 857 8882。
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