山西师范大学薛武红副教授和许小红教授发现了2Hα-In2Se3具有层依赖的铁电极化现象。与2Hα-In2Se3偶数层相比,奇数层具有较大的面内电极化且能够实现极化反转;由于面内和面外极化的关联性,当面内极化被电场反转后,面外极化也出现类似的层依赖特性(图1)。该结果丰富了二维材料家族的层依赖物理特性,为有效构建极化关联的纳米器件(如:存内运算和复杂的神经形态运算等)提供了有意义的指导。相关论文以题目为“Layer-Dependent Ferroelectricity in 2H-Stacked Few-Layerα-In2Se3”发表在Materials Horizons期刊上。Materials Horizons是英国皇家化学会最高影响力的期刊之一,影响因子为12.3。论文链接:https://doi.org/10.1039/D0MH01863E
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图1:不同层数的2Hα-In2Se3的面内极化反转
所制备的2Hα-In2Se3单晶纳米片尺寸大(>200 um)、超薄(~1.9 nm)、结晶质量高。球差电镜截面图可以清晰地看到其相邻两层的原子呈反平行排列,这种层堆垛构型会导致面内层间极化方向反平行,从而致使偶数层样品的面内极化几乎为零,而奇数层具有剩余极化。该种结构特点能更好的帮助理解层依赖的极化特性(图2)。
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图2:2Hα-In2Se3纳米片的形貌和微观结构
将高质量的2Hα-In2Se3单晶纳米片制备成铁电基场效应晶体管器件,发现极化反转可诱导一种负微分效应,所对应的矫顽场(~1.625 kV/cm)比传统铁电材料小1-2数量级,在白光照射下峰电流密度被进一步增大,通过背栅电压调控,器件的峰/谷电流比能高达7。以上结果表明2Hα-In2Se3在极化关联的低能耗纳米器件中具有很大的应用潜力(图3)。
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图3:2Hα-In2Se3基场效应晶体管器件的I-V特性及其光和电调控
山西师范大学博士研究生吕宝华和严志为论文共同第一作者,山西师范大学薛武红副教授、许小红教授为共同通讯作者。该工作得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金等项目的支持。(科技处 供稿)