12月2日，浙江大學(xué)集成電路學(xué)院前沿所趙昱達(dá)研究員和復(fù)旦大學(xué)車仁超教授、中國人民大學(xué)季威教授等組成研究團(tuán)隊(duì)，研究二維范德華鐵電半導(dǎo)體α-In?Se?肖特基結(jié)器件的奇異電學(xué)輸運(yùn)行為和工作機(jī)理，并在《Nature Communications》發(fā)文。祝賀趙昱達(dá)研究員團(tuán)隊(duì)，也期待浙江大學(xué)集成電路學(xué)院有更多優(yōu)秀科研成果涌現(xiàn)！

01研究內(nèi)容

近日，浙江大學(xué)集成電路學(xué)院前沿所趙昱達(dá)研究員聯(lián)合復(fù)旦大學(xué)車仁超教授、中國人民大學(xué)季威教授等組成研究團(tuán)隊(duì)，研究了二維范德華鐵電半導(dǎo)體α-In?Se?肖特基結(jié)器件的奇異電學(xué)輸運(yùn)行為和工作機(jī)理，重點(diǎn)揭示了層間堆疊方式與鐵電疇壁形態(tài)、鐵電翻轉(zhuǎn)行為、相變路徑等性質(zhì)的依賴關(guān)系，為通過層間堆疊工程調(diào)控鐵電疇壁類型、演化動(dòng)力學(xué)行為和信息功能器件構(gòu)筑提供了新策略。相關(guān)結(jié)果于 2024年12月2日以 “Stacking selected polarization switching and phase transition in vdW ferroelectric α-In?Se? junction devices” 為題發(fā)表在Nature Communications 15, 10481 (2024)上。

浙江大學(xué)集成電路學(xué)院前沿所博士生張?zhí)鞁珊蛷?fù)旦大學(xué)博士生吳雨旸、中國人民大學(xué)博士生郭的坪為論文的共同第一作者。浙江大學(xué)集成電路學(xué)院趙昱達(dá)研究員、復(fù)旦大學(xué)車仁超教授、中國人民大學(xué)季威教授為該論文的共同通訊作者。該工作的器件部分由浙江大學(xué)集成電路學(xué)院張?zhí)鞁珊挖w昱達(dá)研究員完成，第一性原理計(jì)算和電鏡表征由合作單位完成，并得到了國家自然科學(xué)基金、科技部、教育部等項(xiàng)目的支持。

02課題亮點(diǎn)

該項(xiàng)工作展示了2H和3R兩種堆疊方式對α-In?Se?鐵電半導(dǎo)體肖特基結(jié)器件(FSMJ)的電學(xué)輸運(yùn)影響，深入探索了其層間堆疊依賴的鐵電回滯現(xiàn)象。研究發(fā)現(xiàn)2H 堆疊的α-In?Se? FSMJ器件的回滯窗口小于3R堆疊器件，結(jié)合透射電鏡和第一性原理計(jì)算研究了α-In?Se?鐵電疇壁類型和演化動(dòng)力學(xué)行為（圖1），證明了3R堆疊的α-In?Se?具有面外疇壁，有利于極化切換，導(dǎo)致極化強(qiáng)度高；而2H堆疊的α-In?Se?中具有面內(nèi)疇壁，極化切換困難，導(dǎo)致In?Se?和底部金屬界面的極化切換不完全。

進(jìn)一步，器件在高電場下表現(xiàn)出鐵電退化行為，觀測到2H堆疊器件會不可逆地跳變到低阻態(tài)；而3R堆疊器件會先由模擬態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字態(tài)，進(jìn)而跳變?yōu)椴豢赡娴牡妥钁B(tài)。結(jié)合透射電鏡和第一性原理計(jì)算結(jié)果，證明了在高電場下2H α-In?Se?在熱力學(xué)因素主導(dǎo)下經(jīng)歷了層內(nèi)斷鍵和層間成鍵等復(fù)雜過程進(jìn)行了α到β相變，導(dǎo)致器件切換到低阻態(tài)；而3R堆疊的α-In?Se?在熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)因素共同作用下，通過層內(nèi)原子滑動(dòng)實(shí)現(xiàn)相變（圖2）。這些結(jié)果說明了器件在高電場下的輸運(yùn)特性轉(zhuǎn)變由相變過程決定，與In?Se?堆疊結(jié)構(gòu)有關(guān)。

圖1 堆疊結(jié)構(gòu)對In?Se?鐵電半導(dǎo)體肖特基結(jié)器件回滯窗口的影響

圖2 在高電場下不同堆疊方式的鐵電-順電相變行

03課題背景

鐵電疇壁是分離鐵電材料中不同電極化取向的功能界面。在二維層狀鐵電薄膜中，這些疇壁的取向可以垂直（面外疇壁）或平行（面內(nèi)疇壁）于薄膜表面。在電場作用下，帶電的疇壁顯示出較高的空間遷移率，展示了動(dòng)態(tài)創(chuàng)建、移動(dòng)和擦除疇壁的潛力。盡管對鐵電器件的性能調(diào)節(jié)和功能設(shè)計(jì)至關(guān)重要，精確控制鐵電疇壁的類型和運(yùn)動(dòng)行為、揭示這些疇壁性質(zhì)調(diào)控的原子尺度機(jī)制，仍然面臨諸多挑戰(zhàn)。二維α-In?Se?是一種獨(dú)特的范德華鐵電半導(dǎo)體，在非易失性存儲器等中有應(yīng)用潛力，且In?Se?至少具有兩種堆疊類型（2H和3R）和三種相結(jié)構(gòu)（α，β和β’），表現(xiàn)出多態(tài)性，目前尚不清楚堆疊構(gòu)型和相結(jié)構(gòu)如何影響疇壁結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)，從而影響相應(yīng)器件的電阻開關(guān)特性。

研究團(tuán)隊(duì)簡介

趙昱達(dá) 浙江大學(xué)集成電路學(xué)院百人計(jì)劃研究員、博士生導(dǎo)師，前沿所副所長

博士畢業(yè)于香港理工大學(xué)，之后在香港理工大學(xué)和法國斯特拉斯堡大學(xué)從事博士后研究工作。入選歐盟“瑪麗·居里學(xué)者”，中國科協(xié)青年人才托舉工程，省海外引才計(jì)劃。目前承擔(dān)國自然重大項(xiàng)目子課題，國自然-香港合作研究重點(diǎn)項(xiàng)目，國自然青年科學(xué)基金項(xiàng)目，科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等。已發(fā)表論文50余篇，其中作為第一/通訊作者在Nature Communications、 Chemical Reviews、Advanced Materials等期刊發(fā)表27篇論文。主要研究方向是：基于二維材料的后摩爾時(shí)代新型半導(dǎo)體器件，包括邏輯器件、類視覺感存算一體器件、智能感知系統(tǒng)等。

張?zhí)鞁?浙江大學(xué)集成電路學(xué)院 2021級直博生

導(dǎo)師為趙昱達(dá)研究員，研究方向?yàn)槎S材料異質(zhì)結(jié)器件及其邏輯與神經(jīng)擬態(tài)應(yīng)用。博士期間發(fā)表論文11篇，其中以第一作者身份在Nature Communications、Materials&Design等期刊發(fā)表論文3篇。