HfCl2/Sc2CO2范德华异质结的铁电调控谷电子与非易失存储

研究简介

谷电子学作为突破传统电子器件性能瓶颈的新范式，其核心挑战之一在于实现高效非易失的谷电子行为调控。结合密度泛函理论计算与非平衡格林函数模拟，福州大学材料科学与工程学院萨百晟课题组联合宁波东方理工大学（暂名）周通课题组，提出了一种HfCl₂/Sc₂CO₂范德华异质结，实现了铁电调控的非易失谷电子行为。研究表明，单层Sc₂CO₂的铁电极化主导了HfCl₂/Sc₂CO₂范德华异质结的电子结构特征：正极化会在能谷处诱导直接带隙，使异质结展现出谷电子行为，可通过圆偏振光进行读写；负极化则形成间接带隙，抑制谷电子行为。非平衡格林函数输运模拟计算进一步表明，基于HfCl₂/Sc₂CO₂的铁电p-i-n隧道结的最大隧道电阻（TER）比率可达1.60×10⁸%，揭示了其在低能耗谷电子与铁电非易失存储器件中具有良好的应用前景。福州大学材料科学与工程学院博士研究生崔舟为论文第一作者。该研究得到了国家重点研发计划与国家自然科学基金的资助支持。

研究内容

本文系统研究了单层HfCl₂、Sc₂CO₂与HfCl₂/Sc₂CO₂范德华异质结的电子结构、谷电子特性及其铁电隧道结的电子输运行为。图1展示了HfCl₂和铁电Sc₂CO₂单层的相关性质，其中单层HfCl₂和Sc₂CO₂均为间接带隙半导体，且单层HfCl₂的价带顶（VBM）和单层Sc₂CO₂的导带底（CBM）处均由于自旋轨道耦合（SOC）效应产生了谷自旋分裂。

图2展示了HfCl₂/Sc₂CO₂异质结的相关性质，正极化的HfCl₂/Sc₂CO₂↑和负极化的HfCl₂/Sc₂CO₂↓异质结分别表现出具有0.22 eV直接带隙和1.01 eV间接带隙的半导体特性，且HfCl₂/Sc₂CO₂↑异质结中的谷电子学能带结构特征得以保持，能够通过特定圆偏振光进行读取。而在HfCl₂/Sc₂CO₂↓异质结中，谷电子能带结构特征消失。由于两种极化性质的HfCl₂/Sc₂CO₂异质结的带隙大小和谷电子行为差异显著，在异质结中可同时实现谷电子与铁电存储机制，如图3所示。图4进一步展示了基于HfCl₂/Sc₂CO₂↑异质结的Berry曲率，阐述了异质结中可能存在的光学跃迁选择规则和谷霍尔效应。

最后，构建了如图5所示的p-i-n铁电隧道结开展非平衡格林函数电子输运计算。发现在0.5 eV偏压下，沟道长度为6 nm的隧道结器件实现了3.09×10⁶%的最大隧道电阻（TER）比率。当沟道长度增长至8 nm时，其TER比率可提升至1.60×10⁸%。这些结果不仅为铁电调控谷电子跃迁提供了设计思路，同时也表明HfCl₂/Sc₂CO₂范德华异质结是一种极具潜力的低能耗谷电子存储器与非易失存储器候选材料。

参考

• Z. Cui, X. Duan, J. Wen, Z. Zhu, J. Zhang, J. Pei, C. Wen, T. Zhou, B. Wu and B. Sa, Ferroelectric control of valleytronic nonvolatile storage in HfCl₂/Sc₂CO₂ heterostructure, Appl. Phys. Lett. 126, 122902 (2025), doi: 10.1063/5.0264472.

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