在最新出版的《半導(dǎo)體學(xué)報》2019年第6期上，北京大學(xué)物理學(xué)院戴倫教授介紹了一種室溫穩(wěn)定的二維鐵電材料α-In2Se3及其器件應(yīng)用。二維室溫鐵電薄膜具有穩(wěn)定的層狀結(jié)構(gòu)、原子級的厚度、弱層間耦合、電極化翻轉(zhuǎn)電壓低等優(yōu)點，有望在探索二維鐵電性、發(fā)展低功耗器件應(yīng)用中發(fā)揮重要作用。原子級薄的α-In2Se3材料是一種新興的鐵電半導(dǎo)體，其具有耦合的面內(nèi)和面外鐵電性。目前已觀察到α-In2Se3的電極化在高達700K的溫度下依然穩(wěn)定。幾種基于少層α-In2Se3的原型器件也陸續(xù)報道，包括可切換的鐵電二極管和鐵電半導(dǎo)體晶體管。此外，人們通過將不同的二維材料集成到范德華（vdW）異質(zhì)結(jié)構(gòu)中還發(fā)展出多種新型器件。最近，研究表明鐵電體可以具有負電容。將室溫穩(wěn)定的鐵電α-In2Se3與其他二維半導(dǎo)體（例如MoS2）集成制備的負電容場效應(yīng)晶體管可以超越金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET）的理論極限，是一類新型的高效電子器件。

作為具有自發(fā)電極化且其極化方向可通過外電場反轉(zhuǎn)的體系，鐵電材料在信息存儲、場效應(yīng)器件、感應(yīng)器件等諸多方面具有廣泛的應(yīng)用價值。對傳統(tǒng)鐵電材料的研究主要集中在以鈣鈦礦氧化物為代表的材料體系。然而，當(dāng)將這類鐵電材料通過表面外延生長技術(shù)制成薄膜時，由于退極化場的作用，其鐵電性在某一臨界厚度下多會消失。范德華類層狀二維體系是近年來材料研究的熱點之一。自2004年首次實驗成功得到單層石墨烯以來，目前已有上百種新的二維材料被發(fā)現(xiàn)并在實驗上合成，它們展現(xiàn)出十分豐富的物理與化學(xué)性質(zhì)，為未來器件的進一步微小化和柔性化提供了新的機遇和材料基礎(chǔ)。意外的是，在目前所有已知的二維材料中，尚欠缺具有垂直于二維面鐵電極化且單層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的鐵電材料。究其原因，是形成垂直方向電極化所需的對稱性破缺與材料的穩(wěn)定性存在內(nèi)稟矛盾。因此，在范德華類二維材料體系中尋找具有垂直方向電極化且單層穩(wěn)定的二維鐵電材料是一個具有相當(dāng)挑戰(zhàn)性的科學(xué)難題。

針對這一挑戰(zhàn)，該團隊利用第一性原理計算方法，發(fā)現(xiàn)已在自然界存在的層狀材料In2Se3的單層即為一種同時具有面內(nèi)和面外極化的穩(wěn)定二維鐵電材料。對于該材料的結(jié)構(gòu)，以往的實驗研究已表明它的室溫相具有類似于石墨的層狀結(jié)構(gòu)，其中每五個原子層通過共價鍵組成穩(wěn)定的二維單元，不同單元之間通過弱的范德華相互作用相結(jié)合，因此該材料可以被剝離成很薄甚至單層的二維薄膜，但以往的研究對其單個二維單元內(nèi)原子的堆積結(jié)構(gòu)并不確定。該研究首先確定了單個二維單元的最穩(wěn)定結(jié)構(gòu)（如圖所示），并發(fā)現(xiàn)由于其原子層在垂直于二維面方向分布的不對稱性，使其產(chǎn)生一個垂直于二維面的面外自發(fā)電極化，且其極化的方向可以通過靈巧的多原子協(xié)同運動進行反轉(zhuǎn)。進一步的計算表明，面外方向電極化的反轉(zhuǎn)所需要跨越的能量勢壘與常規(guī)鈣鈦礦鐵電材料相近，并且可以通過施加一個垂直方向的外電場進一步降低相應(yīng)的能量勢壘、打破原本能量簡并的兩個極化方向的平衡，驅(qū)動體系向某一極化方向轉(zhuǎn)變。此外，由于該穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的單層在面內(nèi)不具有中心反演對稱性，導(dǎo)致其同時存在面內(nèi)方向的自發(fā)鐵電極化，并且其極化的方向與面外極化的方向相互關(guān)聯(lián)，以此有望實現(xiàn)電場與極化方向的交叉耦合調(diào)控。在此發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，進一步預(yù)言由與In2Se3同族元素組合而成的化合物，如果可以形成類似的層狀結(jié)構(gòu)，其鐵電相也將同樣成為穩(wěn)定的基態(tài)結(jié)構(gòu)。

此類二維鐵電材料的發(fā)現(xiàn)有效拓展了二維材料家族的功能性，特別是為調(diào)控由多種二維材料組成的多層范德華二維異質(zhì)結(jié)體系的物性提供了新的空間。該研究也通過構(gòu)建二維鐵電材料與其它二維材料組成的雙層異質(zhì)結(jié)初步展示了其調(diào)控能力。如在In2Se3 與WSe2 構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)中，通過外電場對In2Se3電極化方向的反轉(zhuǎn)，可以實現(xiàn)體系從半導(dǎo)體性到近似金屬性的轉(zhuǎn)變（如圖所示）；在In2Se3 與石墨烯構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)中，通過In2Se3電極化方向的反轉(zhuǎn)，可以改變界面間所形成的肖特基勢壘的高度。該類新型材料更多的潛在應(yīng)用有待于進一步探索與研究。

此項研究得到了國家千人計劃、國家自然基金委、科技部、中科院和教育部的資助。