Abstract Twisted heterostructures of two-dimensional crystals offer almost unlimited scope for the design of new metamaterials. Here we demonstrate a room temperature ferroelectric semiconductor that is assembled using mono- or few-layer MoS 2 . These van der Waals heterostructures feature broken inversion symmetry, which, together with the asymmetry of atomic arrangement at the interface of two 2D crystals, enables ferroelectric domains with alternating out-of-plane polarization arranged into a twist-controlled network. The last can be moved by applying out-of-plane electrical fields, as visualized in situ using channelling contrast electron microscopy. The observed interfacial charge transfer, movement of domain walls and their bending rigidity agree well with theoretical calculations. Furthermore, we demonstrate proof-of-principle field-effect transistors, where the channel resistance exhibits a pronounced hysteresis governed by pinning of ferroelectric domain walls. Our results show a potential avenue towards room temperature electronic and optoelectronic semiconductor devices with built-in ferroelectric memory functions.

Abstract Van der Waals heterostructures have opened new opportunities to develop atomically thin (opto)electronic devices with a wide range of functionalities. The recent focus on manipulating the interlayer twist angle has led to the observation of out-of-plane room temperature ferroelectricity in twisted rhombohedral bilayers of transition metal dichalcogenides. Here we explore the switching behaviour of sliding ferroelectricity using scanning probe microscopy domain mapping and tunnelling transport measurements. We observe well-pronounced ambipolar switching behaviour in ferroelectric tunnelling junctions with composite ferroelectric/non-polar insulator barriers and support our experimental results with complementary theoretical modelling. Furthermore, we show that the switching behaviour is strongly influenced by the underlying domain structure, allowing the fabrication of diverse ferroelectric tunnelling junction devices with various functionalities. We show that to observe the polarisation reversal, at least one partial dislocation must be present in the device area. This behaviour is drastically different from that of conventional ferroelectric materials, and its understanding is an important milestone for the future development of optoelectronic devices based on sliding ferroelectricity.

Twisted two-dimensional (2D) material heterostructures provide an exciting platform for investigating fundamental physical phenomena. Many of the most interesting behaviors emerge at small twist angles, where the materials reconstruct to form areas of perfectly stacked crystals separated by partial dislocations. However, understanding the properties of these systems is often impossible without correlative imaging of their local reconstructed domain configuration, which exhibits random variations due to disorder and contamination. In particular, visualization of the local domain configuration allows determination of the local twist angle and, hence, the local lattice strain. Here, we demonstrate a simple and widely accessible route to visualize domains in the as-produced twisted transition metal dichalcogenide (TMD) heterostructures using electron channeling contrast imaging (ECCI) in scanning electron microscopy (SEM). This nondestructive approach is compatible with conventional substrates and allows domains to be visualized even when sealed beneath an encapsulation layer. Complementary theoretical calculations reveal how a combination of elastic and inelastic scattering leads to contrast inversions at the specified detector scattering angles and sample tilts. We demonstrate that optimal domain contrast is therefore achieved by maximizing signal collection while avoiding contrast inversion conditions.