在智能电子设备追求更轻、更灵敏、更耐用的今天，如何让材料感知并响应机械刺激，成为研发触觉交互器件的关键。铁电材料作为现代电子器件的重要成员，其极化状态的调控能力直接影响器件性能——传统依赖外电场的调控方式虽成熟，却限制了无导线、柔性化应用；而基于挠曲电效应的机械调控虽提供“无电场操控”可能性，却因需高静态力和慢响应长期难以突破实用瓶颈。

近日，浙江大学物理学院量子物态与器件研究中心团队合作在铁电极化的应力调控领域取得重要进展，相关成果以“Low-force Pulse Switching of Ferroelectric Polarization Enabled by Imprint Field”为题发表于《自然·通讯》（Nature Communications, 2025, 16:5271）。该研究通过创新设计不对称电极进而引入“压印场”，首次实现了低阈值力、快速脉冲驱动的非易失铁电极化转换，并基于此开发出机械门控多能级铁电晶体管，为触觉响应铁电电子学的实用化迈出关键一步。

图1. a 通过诱导压印场来减少柔性电切换力的策略。b CIPS放置在钛上的示意图，顶部扫描铂探针施加机械力。能量图展示了Pt、CIPS和Ti（金）之间能级的对齐情况。c 分别为CIPS在钛和金上的开尔文探针力显微镜表面势图像。d 能带图展示了Pt/CIPS/Ti结构中的显著压印场，以及与Pt/CIPS/Au结构相比，CIPS中极化切换的能量势垒更低。

传统机械调控铁电极化的痛点在于“能量门槛”太高。挠曲电效应虽能通过机械应变产生内建电场，但要让极化翻转，需施加足够大的静态力以克服材料的能量势垒，针对此问题团队引入了“压印场”：通过选择不同功函数的电极构建不对称界面，在铁电材料内部诱导出一个稳定的内建电场。实验中，团队以二维层状铁电材料CuInP₂S₆（CIPS）为对象，在50 nm厚的样品中，仅需4 ms时长、600 nN的低力脉冲，就能实现极化的非易失切换，且材料无损伤。更关键的是，这种切换的阈值力密度低至12 nN·nm^-1（单位厚度阈值力），比传统方法降低了一个量级以上。

除了低应力，快响应是另一大亮点。传统机械调控往往需要数十至数千毫秒的静态力持续作用，而团队的方法仅需4毫秒的脉冲即可完成切换——这相当于让材料的反应速度提升了数百倍。更妙的是，这种脉冲驱动的切换具有可调节性：通过控制脉冲次数（如1次、3次、12次4毫秒脉冲），可逐步切换CIPS的极化区域（单次脉冲切换约20%，12次切换约80%）。这为多态调控提供了可能。

团队基于这一突破，开发了一种范德华异质结机械门控晶体管。该器件以CIPS为铁电层、MoS₂为半导体沟道、石墨烯为电极，通过铂探针施加低力脉冲调控CIPS的极化状态，进而调制MoS₂沟道的载流子输运。实验中，初始极化状态下器件处于高阻态（电导仅0.035 nS）；施加100 ms低力脉冲切换CIPS极化为向下状态后，器件转为低阻态（电导0.32 nS），开关比达10倍。更令人兴奋的是，通过控制脉冲次数，器件可实现四种非易失电导状态（对应2位数据“00”至“11”），且状态稳定性超过1000 s。这意味着，未来的触觉传感器或可通过不同力度的轻触，直接控制设备的多种功能模式，无需复杂电路。

这项研究的意义，不仅在于解决了铁电极化机械调控的“高应力慢响应”难题，更在于为触觉电子学打开了新可能。低应力、快响应、可调节的极化切换，让铁电材料有望成为智能传感器、可穿戴设备、柔性电子的核心触觉单元。

该成果的共同通讯作者为中南大学物理学院孙健教授，其它共同通讯作者包括浙江大学薛飞研究员和复旦大学田甜博士。这是团队实现触觉应力调控铁电极化（Science Advances 2025, 11, eadr5337.）之后，在力调控铁电极化的又一项重要成果。