近期，固體所鄭小宏研究員課題組在二維鐵電隧道結(jié)的量子輸運(yùn)研究中取得新進(jìn)展，采用DFT+NEGF方法計算了石墨烯/In2Se3范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)構(gòu)的二維鐵電隧道結(jié)的輸運(yùn)性質(zhì)，實現(xiàn)了108%的電致電阻比率。相關(guān)結(jié)果以“Giant tunneling electroresistance in two-dimensional ferroelectric tunnel junctions with out-of-plane ferroelectric polarization”為題發(fā)表在Physical Review B 上。
鐵電隧道結(jié)（FTJs）使用鐵電材料作為中心隧穿勢壘，金屬或半導(dǎo)體作為電極，由于其在非易失性存儲器件中的潛在應(yīng)用，已在實驗和理論上得到了廣泛研究。隧穿電致電阻（TER）比率是表征FTJs數(shù)據(jù)存儲性能的一個非常重要的參數(shù)。到目前為止，關(guān)于如何設(shè)計具有很大TER比率的高性能FTJs已有許多研究。但是，大多數(shù)注意力仍集中在采用三維（3D）鐵電材料薄膜作為隧道勢壘的3D FTJs上。眾所周知，由于表面上的電荷積累，用于觀察自發(fā)極化的3D鐵電材料的臨界厚度存在限制，這與器件小型化的要求相矛盾。因此，如何減小鐵電薄膜的臨界厚度是高性能FTJs的進(jìn)一步發(fā)展中的關(guān)鍵問題。近年來，鐵電材料研究的一個新興方向是對二維（2D）鐵電材料的研究，這為構(gòu)造具有原子厚度的器件提供了天然的良好選擇。如果可以采用2D鐵電材料來構(gòu)造具有大TER比的高性能FTJs，那么它將大大減小FTJs器件的尺度。實際上，在FTJs中2D鐵電材料的應(yīng)用近年來也已經(jīng)引起科研人員廣泛的關(guān)注。
為此，鄭小宏研究員課題組基于具有面外極化的二維鐵電材料的兩個表面具有不同功函數(shù)的特點設(shè)計了具有范德瓦爾斯垂直異質(zhì)結(jié)構(gòu)（石墨烯/In2Se3）的2D FTJs。通過密度泛函理論結(jié)合非平衡格林函數(shù)方法計算，獲得了1×108％的巨大TER比率，這比目前大多數(shù)3D FTJs的TER比率都要高。原因在于In2Se3層兩個表面的功函數(shù)之間存在較大差別（約2.396 eV），而石墨烯的功函數(shù)與其中一個表面的功函數(shù)接近。因此，當(dāng)石墨烯與其不同的表面接觸時，石墨烯將表現(xiàn)出向In2Se3轉(zhuǎn)移或不轉(zhuǎn)移電子，從而使得In2Se3表現(xiàn)出導(dǎo)電和不導(dǎo)電兩種不同的狀態(tài)。相關(guān)研究表明，對于具有面外鐵電極化的2D鐵電材料，可以通過僅考慮功函數(shù)來方便地設(shè)計高性能2D FTJs。同時也表明，二維鐵電材料，特別是具有面外極化的鐵電材料，在構(gòu)造二維鐵電隧道結(jié)，實現(xiàn)巨電致電阻效應(yīng)以及鐵電存儲方面具有重要的應(yīng)用潛力。
該項工作得到了國家自然科學(xué)基金資助，所有計算均在中科院超算中心合肥分中心完成。
全文鏈接：https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.101.014105
圖1. 二維石墨烯/In2Se3鐵電隧道結(jié)示意圖。(a) In2Se3為極化向上情況；(b) In2Se3為極化向下情況。 左/右電極是石墨烯/In2Se3范德瓦爾斯垂直異質(zhì)結(jié)構(gòu)，中間輸運(yùn)通道是單層2D鐵電In2Se3層。(c) 和 (d) 分別是左電極 (L) 和右電極 (R) 的超單胞俯視圖。
圖2. （a）兩種鐵電極化方向下的I-V曲線，插圖為低偏壓下的電致電阻比率；（b）鐵電極化方向向上時的能帶結(jié)構(gòu)；（c）鐵電極化方向向下時的能帶結(jié)構(gòu)。
