基于二维双层铁电范德华异质结$\mathrm{CuInP}_2\mathrm{Se}_6$/$\mathrm{Ga}_2\mathrm{O}_3$的铁电隧道结中的高隧穿电阻

背景简介

目前研究发现，双层范德华异质结的导电性质可以通过比较两种材料接触界面处的功函数差（∆W）来预测：当∆W 大于异质结中功函数较大材料的带隙时，异质结将表现出金属性；相反，当∆W 小于功函数较大材料的带隙时，异质结将成为半导体甚至绝缘体。二维面外极化的铁电材料由于其内部铁电极化场的影响，具有分别在两个表面上的截然不同的两个功函数。需要另一种材料分别与面外极化铁电材料的两个表面接触，以构建具有两个铁电极化态的范德华异质结，则构建的范德华异质结在两种不同的极化态下就会具有明显的导电性差异，满足构建高隧穿电致电阻比的铁电隧道结的要求。然而，由于该条件对所使用铁电材料的极化强度要求高，通常很难找到合适的材料组合。

研究内容

周艳红课题组研究生雷蕾涛提出一种由两种二维面外极化铁电材料组成的双层铁电范德华异质结模型，能更容易找到满足条件的材料组合。因为当两种面外极化铁电材料各有差异比较大的两个功函数，由它们构建的范德华异质结就会有四种可能的∆W。∆W 最大的情况下，往往能够超过构成范德华异质结的两种材料的带隙。此时，异质结将成为导体，而∆W 最小的情况下，一般都会小于构成异质结的两种材料的带隙。此时，异质结将成为半导体或绝缘体。与使用单层铁电材料的范德华异质结相比，双层铁电范德华异质结在构建铁电隧道结中高低导电态更容易实现。基于这种新的铁电隧道结构建模型，他们的铁电隧穿层采用了由两种面外极化铁电材料 CuInP₂Se₆和Ga₂O₃ 组成的双层铁电范德华异质结。这种范德华异质结的 P↑↑态为具有 0.634 eV 带隙的绝缘态，P↓↓态为零带隙的金属态，因此，在 CuInP₂Se₆/Ga₂O₃ 范德华双层铁电异质结中可以通过控制铁电极化，实现高导电态（P↓↓态）和低导电态（P↑↑态）的切换。接着，基于该异质结，设计了一个二维面内铁电隧道结，获得高达 10⁶ %的隧穿电致电阻比并通过功函数模型、电荷重新分布和局域态密度对上述现象进行了分析。该工作以“High Tunneling Electroresistance in Ferroelectric Tunnel Junctions Based on 2-D Bilayer Ferroelectric CuInP₂Se₆/Ga₂O₃ van der Waals Heterostructure” 发表在IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES。

总结

本工作提出了一种由两种面外极化的铁电材料组成的双层铁电范德华异质结来构建面内铁电隧道结的新方法。由于这两种铁电材料每种都具有两个差异较大 的功函数，它们形成的异质结有四种可能的功函数差值∆W。∆W 最大的情况下，异质结为导体，而∆W 最小的情况下，异质结为半导体或绝缘体。并以两种面外极化铁电材料 CuInP₂Se₆ 和 Ga₂O₃ 构成了双层铁电范德华异质结和对应的铁电隧道结为例进行了具体地研究。CuInP₂Se₆/Ga₂O₃ 范德华异质结可以实现高电导态和低电导态之间的稳定切换。基于该异质结的铁电隧道结具有高达 1.92×106 %的隧穿电致电阻比。本研究提供了一种设计高性能二维双层铁电范德华异质结的可行方法，并展示了特定的 CuInP₂Se₆/Ga₂O₃ 范德华异质结在设计高性能铁电隧道结和高密度非易失性存储器方面的巨大潜力.

参考

• High Tunneling Electroresistance in Ferroelectric Tunnel Junctions Based on 2-D Bilayer Ferroelectric CuInP₂Se₆/Ga₂O₃ van der Waals Heterostructure. IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, 71, 5089 (2024), DOI: https://doi.org/10.1109/TED.2024.3411576.