广东省磁电物性分析与器件重点实验室在二维铁电研究与器件方面取得新进展

       具有可逆极化反转效应和原子级厚度的二维范德华（vdW）铁电半导体可以应用于诸如铁电场效应晶体管、非易失性存储器、存算一体芯片及类脑计算芯片等多种新型器件中。与传统的冯诺依曼体系不同，二维半导体铁电晶体管同时集成逻辑操作和记忆存储，在未来具有缩小器件尺寸和降低能耗的潜力。In₂Se₃因其丰富的物相结构而受到广泛关注，其中α相In₂Se₃具有非常优异的载流子迁移率，1.3 eV的带隙以及在单层极限下稳定的室温铁电性让其兼具铁电与半导体的特性。二维半导体In₂Se₃所具有的铁电性质为调控铁电物性提供了很多机遇，使得二维In₂Se₃成为存储器件和新型存算一体应用领域里很有竞争潜力的材料。

       虽然二维铁电In₂Se₃具有吸引人的应用潜力，但大面积二维铁电In₂Se₃薄膜的外延生长仍然是一大挑战。In₂Se₃复杂的多相结构（α, β, β′, γ, ε）以及较低的相转变温度（α→β相变在270 ℃），经常导致在外延生长过程中的出现多相共存，很难获得纯相的In₂Se₃薄膜。目前化学气相沉积（CVD）方法获得纯相的二维铁电α-In₂Se₃薄膜横向尺寸普遍较小，远远达不到大规模集成应用的要求。最近，依托beat365中国唯一官方网站建设的广东省磁电物性分析与器件重点实验室利用限域空间生长方法实现对二维铁电材料α-In₂Se₃的大面积可控生长。利用叠层氟晶云母作为生长基底并构筑形成限域的反应空间，降低了气流的雷诺数，稳定了气相传质过程中的气场与温度场分布，将成核生长控制在近表面层，进而得到高质量的厘米级2H堆叠的α相In₂Se₃铁电薄膜，其生长厚度在纳米级可控。

图1 限域空间CVD法外延生长大面积二维vdW铁电α-In₂Se₃薄膜。

       此外，基于α-In₂Se₃的铁电隧道结器件的电学输运测量结果显示出该器件具有极化调制相关的二极管效应，该研究工作在理论上证明了该效应源于极化切换时金属-半导体界面的肖特基势垒高度（SBH）变化引起的电流-电压关系呈现单向导通。该研究工作不仅为其它二维材料的大面积相可控生长提供了一条新思路，同时也为实现二维vdW铁电α-In₂Se₃在存算一体铁电器件的规模化应用打下了重要基础。

图2 基于二维vdW 铁电α-In₂Se₃的可切换二极管。

图3  α-In₂Se₃在不同极化态下Pt/In₂Se₃/高定向热解石墨（HOPG）器件的能带结构和界面肖特基势垒。

      该研究成果以“Epitaxial Growth of Large Area Two-Dimensional Ferroelectric α‑In₂Se₃”为题于在线发表在国际著名学术期刊Nano Letters上，并被选为杂志的封面文章。该工作由beat365中国唯一官方网站独立完成，beat365中国唯一官方网站为第一单位，合作单位包括广东省磁电物性分析与器件重点实验室、光电材料与技术国家重点实验室，beat365中国唯一官方网站博士生何钦明为第一作者，罗鑫教授为通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金、广东省自然科学基金等项目的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c04289

图4  文章被选为封面论文