二维滑移铁电中多极化态的调控与层数依赖

铁电材料由于具有双稳态的特性，在非易失性存储器、制动器和负电容场效应晶体管等方面具有广泛的应用。随着现代集成电路工艺的迅速发展，铁电材料的尺度也在不断缩减。然而由于本征尺寸效应、表面效应、基底应力等作用的存在，使得传统铁电材料在厚度达到数个纳米时，其自发极化将会消失。二维材料由于具有独特的材料结构特性，则为解决上述问题提供了良好的契机。

在此背景下，二维铁电材料得到了如火如荼地发展，其中如何拓展二维铁电材料的种类成为了一个非常重要的命题。最近，一种全新的滑移铁电机理被提出。在滑移铁电机理中，将原本具有中心对称结构的多层二维材料剥离至单层，并人为地将其重新堆叠成非中心对称结构，以此打破空间反演对称性。空间反演对称性的缺失，会使相邻的原子层间产生电荷转移，进而产生面外方向（out-of-plane）的自发极化。通过外加一定的垂直电场，可以驱动各层材料在面内方向进行滑移，使得堆叠方式发生改变，从而实现自发极化的反转。然而，目前关于滑移铁电效应的报道仅局限于对效应本身的验证。对滑移铁电效应的进一步研究，例如将半导体型滑移铁电材料耦合进场效应晶体管作为沟道时的输运特性、滑移铁电效应中的滑移动力学、滑移铁电特性与材料层数的依赖关系等问题，仍处于一片空白。

近日，电子科技大学刘富才教授联合新加坡南洋理工大学刘政教授、新加坡A*STAR IHPC Yong-Wei Zhang教授、北京大学赵晓旭教授、南京大学张琦教授等研究团队，在半导体型滑移铁电材料的电学输运性质和材料层数依赖特性等方面的研究取得突破。研究团队采用双栅极场效应晶体管器件的电学输运表征，结合第一性原理计算，首次对多层3R相二硫化钼材料的滑移铁电极化翻转动力学进行了系统研究，在多层3R相二硫化钼中发现了反常极化态，并实现了层数依赖的滑移铁电极化调控。该成果对推动滑移铁电极化调控、多态铁电存储和存算一体器件应用等方面的研究具有重要意义。

研究团队通过对高质量3R 相二硫化钼单晶进行机械剥离，得到不同层厚的3R相二硫化钼薄片，并利用其构筑一系列双栅极场效应晶体管器件。在测试中发现，3R相二硫化钼表现出很高的铁电相变温度（高于650 K）以及对载流子浓度变化具有良好的鲁棒性。在多层（大于两层）3R相二硫化钼中，观察到稳定的、可调控的反常极化态（如图1 a-d所示）。这些反常极化态来自于滑移铁电独特的反转机制，并起源于层间偶极子在面外方向上的相互耦合作用。基于所观察到的反常极化态，论文针对滑移铁电效应的极化反转机制提出了“反平行极化模型”（图1e）。以三层3R相二硫化钼为例，在“反平行极化模型”中，多层原子不是同时滑移，而是逐层滑移。这使得其中一层完成滑移时，会产生一个中间态。这个中间态的偶极子在面外方向正好是处于反平行的状态，这也很好地解释了为何在实验中多层（大于两层）3R相二硫化钼能观察到反常极化态，而两层中则不能。

图1. (a)-(c) 在三角波（a中的插图所示）电场作用下，不同层厚的3R 相二硫化钼双栅极场效应晶体管在开场（上图）和零场（下图）中漏电流均值随着外加电场大小的变化趋势。(d)各个层厚的晶体管中的起始态、中间态和终态的稳定性。（e）“反平行极化模型”示意图，红色和蓝色箭头分别代表朝上和朝下的偶极子。

为进一步验证“反平行极化模型”，论文利用密度泛函理论（density functional theory），对3R相二硫化钼的铁电极化反转过程进行了模拟。模拟中，以三层3R相二硫化钼为例，详细讨论了其滑移动力学，揭示了背后的物理原因。如图2所示，在遍历了三层3R相二硫化钼中所有可能的滑移方式（共三类）后，可以看出分层滑移（图2a-c）所需要的能量是最小的。通过分层滑移，可以将势垒降至最小，同时在多个势垒中间能够形成稳定的能谷。这些能谷对应了反极化态，并为实验结果提供了理论依据(图2d）。同时，由于势垒来自于层间的电子排斥能，这种排斥能只局限于滑移面内，因此可以发现即使随着3R相二硫化钼层厚的增加，只要进行分步滑移，势垒高度基本与层厚无关。这也意味着，该模型在任意层厚的3R相二硫化钼中是普适的（图2e-f）。将这个模型推广到N层的3R相二硫化钼中，可以给出系统的中间态个数、中间态的极化强度在极化反转过程中与层厚（N）的关系(图2g)，这不仅仅为实验中观察到的反常态和论文中提出的“反平行极化模型”提供了理论支撑，同时为未来基于滑移铁电效应设计的多态铁电器件提供了指导方针。

图2. (a)-(c)三层3R相二硫化钼的三类滑移方式中的势能面。类一，一次只有一层原子滑动；类二，不相邻的两层原子同时滑动；类三，相邻的两层原子同时滑动。(d)三类滑移方式中，每一类滑移方式的滑移过程示意图。(e)-(f)不同层厚的3R相二硫化钼在分层滑移过程中产生的势垒情况和各个极化态的极化强度。(g)将该模型推广到N层中各个极化态的个数、总极化态个数随层厚的变化情况。

该成果近日以“Sliding induced multiple polarization states in two-dimensional ferroelectrics”为题发表在Nature Communications上，论文共同第一作者为蒙鹏、武亚则、卞仁吉、潘二；文章通讯作者为电子科技大学刘富才教授、新加坡南洋理工大学刘政教授以及新加坡A*STAR IHPC Yong-Wei Zhang教授。该工作受到了国家自然基金委国际合作、面上项目，国家重点研发计划等项目资助。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-022-35339-6

刘富才课题组简介：

刘富才课题组一直致力于二维铁电材料与信息器件研究，取得了一系列研究成果，在Nature Communications、Science Advances、Nat. Sci. Rev.、Adv. Mater.等杂志发表高质量论文多篇，论文引用数6000余次。刘富才教授入选国家海外青年人才计划、四川省特聘专家、四川省第十三批学术与技术带头人，主持国家重点研发计划国合专项、国家自然基金委国际合作项目、面上项目等科研项目。因科研发展需要，课题组拟招收对低维铁电物理、存算一体器件研究方向感兴趣的博士后和研究生。申请人可直接与刘富才教授联系（fucailiu@uestc.edu.cn）。

转自：“知社学术圈”微信公众号

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