Science：清華大學發現二維受限SnTe薄膜的強鐵電特性

【摘要】

近日，清華大學物理系在鐵電性研究中獲得新進展。由陳曦教授、季帥華助理教授為通訊作者的文章“Discovery of robust in-planeferroelectricity in atomic-thick SnTe”于7月15日在頂級期刊Science上發表。

文中，作者對原子級厚度的碲化錫（SnTe）薄膜的晶格結構和鐵電性進行了研究，發現了單一的1個晶胞（1-unit cell，即1-UC）的限制中的一種穩定的自發的極化。進一步研究發現，1-UC SnTe薄膜的鐵電性轉變溫度Tc，可從本體的98K顯著增加到了270K。此外，在2-UC到4-UC SnTe薄膜在室溫下便可表現出強烈的鐵電性。作者認為，這種二維材料的半導體性和鐵電性的相互作用，使其在諸如非易失性高密度存儲、納米傳感器和電子工業等領域將有廣泛的應用。

【圖文詳解】

圖1 ?SnTe薄膜的結構及晶格畸變

(A) SnTe晶體結構（上）和SnTe薄膜（下）的原理圖；
(B) SnTe薄膜的的掃面隧道顯微鏡（STM）圖像，紅色虛線為基底的臺階；
(C) 在4.7K時1-UC薄膜表面的dI/dV譜圖：導帶和價帶的dI/dV在強度上差別明顯，箭頭標明了價帶和導帶的邊緣，1.5V處的峰相當于導帶中的范霍夫奇點；
(D) ?1-UC SnTe薄膜的條狀疇：每個條狀疇中的箭頭標明了晶格畸變的方向，上部插圖為一個條狀疇邊界的形貌圖；下部插圖為石墨烯基底；
(E) 穿過條狀疇邊界區域的傅里葉變換（左），布拉格（Braggart）峰與Te亞晶格有關，插圖中的平行線表明了在每個疇域中的莫爾條紋（moiré stripes）；
(F) 鐵電相的晶格畸變和原子位移的原理示意圖，實線標出了巖鹽晶胞，虛線標出了Te亞晶格的原始晶胞，箭頭指向畸變方向。

圖2 ?由自發極化和疇壁調控誘發的能帶彎曲

(A) 本體鐵電性有無內部屏蔽電荷的能帶轉換原理示意圖；
(B) 邊緣的表觀高度：如果邊緣帶負電荷，Fermi level（費米能級，EF）和偏壓（eVs）之間有更過的狀態對隧穿效應有效，因此，STM針尖必須抬起以保持在掃描過程中恒定的電流，從而得到更高的表觀高度；帶正電荷的邊緣有著相反的趨勢；
(C) 右邊譜圖分別是沿左側圖中箭頭所指的方向獲得的dI/dV譜圖；
(D) 1-UC單疇海島結構的STM圖像：結果表明極化是沿[110]方向；該圖有9個更小的掃面圖構成，邊緣的“+” “-”符號表示正負極化電荷；
(E) 加載5V電壓脈沖50ms前（上部圖）后（下部圖），1-UC薄膜相同區域的形貌圖。箭頭標明了極化方向。

圖3 ?鐵電性轉變溫度（Tc）在1-UC到4-UC SnTe薄膜中的變化

(A) 1-UC到4-UC SnTe薄膜畸變角的溫度依賴性；在Tc=270K附近1-UC薄膜的畸變角便顯出二級相變的行為；
(B) 用冪次定律擬合1-UC SnTe薄膜在Tc附近的數據；紅色橢圓形虛線辨明了線性擬合的數據點；
(C) 在增長到450K的溫度時，Sn空位密度的厚度依賴性；
(D) 由實驗測得和DFT計算而得的電子帶隙厚度依賴性；兩者之間的差異是由于DFT方法中對帶隙的估值過低；
(E) 通過實驗數據和DFT計算而決定的晶格常數的厚度依賴性。

圖4 ?基于鐵電隧道結與面內極化的非易失性存儲器件的構想及模擬

(A) 該器件的結構示意圖：Vr和Vw分別是讀取和寫入電壓，It是隧道電流；
(B) 鐵電性薄膜和上級板之間的隧穿過程的能帶圖：μ是薄膜的化學勢，對帶正電（負電）的狀態，需要達到閾值電壓VR才能激發上部電極板和邊緣導帶之間的隧穿通道；
(C) 由STM測得的閾值電壓；
(D) 用STM模擬在3-UC薄膜上的寫入過程：當針尖從一個邊緣移動到里一個時，STM的反饋回路關閉有，以維持隧穿結之間相同的距離；
(E) 3-UC薄膜的開/關比率的偏壓依賴性，數據來自于圖4 -D。

【小結】

作者使用分子束外延技術制備了原子級厚度的鐵電性SnTe薄膜，并研究了薄膜的微觀結構和晶格畸變等信息。并進一步研究了自發極化和條狀疇結構對能帶的影響及彼此的內在聯系。此外，作者重點研究了鐵電性轉變溫度（Tc）的影響因素以及在1-4 UC SnTe薄膜中的不同，并且實現了Tc的大幅提高，例如4-UC薄膜在室溫下即可表現出強鐵電性。作者還利用這些性質構思了一種具有非易失性的高密度存儲器件，并模擬了讀取和寫入的過程。該研究工作難度之一在于，超薄薄膜（一個或幾個原子厚度）的鐵電特性信號與本體鐵電性相比，信號強度衰減十分明顯，因此，作者采用了掃描隧穿能譜（STS）和掃描隧道顯微鏡（STM）來探測二維受限下的SeTe薄膜的鐵電特性，并得到多方面（如疇結構的建立、晶格畸變、能帶彎曲、極化調控等）的數據來研究鐵電性。

文獻原文鏈接：Discovery of robust in-planeferroelectricity in atomic-thick SnTe（Science，2016，DOI: 10.1126/science.aad8609）

本文由糯米提供素材，李卓整理編譯。

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