北京大學&新加坡國立大學：發現二維滑移鐵電結中的巨阻現象

導語

自1921年首次報道鐵電性以來，鐵電現象引起了基礎物理學和器件應用的極大興趣。目前所有發現的鐵電體都是極性的，包括最近報道的二維鐵電體材料。直到最近，實驗報道了一種全新的二維非極性鐵電體 -雙層范德華六方氮化硼 (BBN)（Science 2021, 372, 1458和Science 2021, 372, 1462）。塊狀h-BN是非極性的，雙層BN極化的獲得是通過平面內范德華滑移轉換極化方向的機制形成，極化方向沿著面外。這一鐵電性質和它優越的機械、電子、化學性質和熱穩定性使滑移鐵電BBN成為集成到當前硅基電子設備中或用于未來新技術的理想單元材料。

成果掠影

近日，北京大學物理系楊金波教授和新加坡國立大學合作者研究了雙層BN滑移鐵電隧道結的量子輸運表現，該滑移鐵電器件具有高達10⁴?%的TER（tunneling electroresistance）。相應工作以“Giant tunnelling electroresistance through 2D sliding ferroelectric materials”為題發表在Materials?Horizons上（Mater. Horiz., 2022,9, 1422-1430），并入選雜志封面。

圖文分析

文章使用Au作為金屬電極和雙層BN（bilayer?BN）形成鐵電隧道結，如圖1所示。通過第一性原理量子輸運計算方法，計算并預測了BBN滑移鐵電結（sliding?FTJ）的輸運行為。研究驚奇地發現，由單純BBN與Au電極構成的SFTJ中，竟沒有出現材料中所報道鐵電極化。進一步的深入分析發現原因是由于Au電極與和它直接接觸的雙層BN產生強的Au/BN界面電場造成的（圖2）。Au/BN的接觸電場破壞了BBN內部的電荷轉移，導致原本材料內的鐵電極化被消除。基于原理的發現，作者提出插入單層石墨烯（1Gr）就可以有效隔離Au與BN之間的極化場，使Au/1Gr/BBN/1Gr/Au SFTJ中的滑移鐵電性得以恢復（圖3）并產生巨大的隧道電阻。文章使用功函數近似和量子輸運計算兩種方法比較1Gr插入前后的界面性質，發現1Gr插層并不會改變BN的界面特性，尤其是肖特基勢壘（圖4）。BBN的SFTJ中的鐵電性表現和產生的巨大TER，意味著二維范德華層間滑動工程在鐵電存儲器件方面具有潛在的應用前景。

圖1??AA，AB，BA堆垛型雙層BN的原子排列示意圖和不同原子構型雙層h-BN在Au (111)上的截面圖與側視圖

圖2??（a）雙層h-BN滑動鐵電隧道結 (Au/BBN/Au)中鐵電極化消失的I-V 輸出曲線和相應Au/BN界面處電荷轉移和界面偶極子示意圖，+和?分別是正電荷和負電荷

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圖3??(a)單層石墨烯插層后的BBN?FTJ的I-V輸出曲線；(b)BBN滑移鐵電隧道結的TER

圖4??（a）1Gr插入前后Au/BN的能帶結構，藍色為BN p_z軌道投影；（b）功函數近似下的BN界面能帶邊匹配圖；（c）量子輸運下的局域態密度分布

小結

到目前為止，所有報道的FTJ均是基于極性鐵電材料。本文中的工作首次評估了非極性二維材料中的巨大TER，并完善分析確定了SFTJ中獨特的界面電子特性，揭示出二維垂直鐵電體中設計鐵電保護的必要性，有助于推動新型滑移鐵電體在二維非易失性存儲領域的研究和應用。