基于双层 α-In2Se3 中畴壁工程的可调控输运和多状态存储

研究背景

神经形态计算需要器件集成传感、计算和内存，以克服传统瓶颈。而多个非易失性状态是其关键特征，在原子尺度上实现多个非易失状态仍然具有挑战。

研究内容

为解决上述问题，常州大学王诤微电子学院徐月华副教授课题组利用第一性原理结合非平衡格林函数方法（NEGF-DFT），研究了由双层 α-In₂Se₃ 不同畴组成器件的量子输运性质。在 0.1 V 小偏压下获得了 6 个非易失导电状态，输运机制由畴决定的沟道数和畴壁决定的势垒共同支配，这些状态有望在实验上实现相互转换。

首先研究了 R 和 H 堆叠的双层 α-In₂Se₃ 不同构型的极化、电子态，以及极化与电荷之间的相互作用。

令人惊讶的是，此前的实验研究表明少层 In₂Se₃ 体系中，在施加适当的面外或面内电场后，PFM 信号的面外和面内分量都发生了 180° 的相移，在多层 In₂Se₃ 体系中还检测到了单畴的 P-E 迟滞回线。基于这些实验证据在附件中对双层 In₂Se₃ 的极化开关、探测方法进行了讨论。结果表明 H-堆叠的双层更易被检测和调控。

特别地，提出一个猜想：铁电材料对外电场响应的物理量是初、末态构型的极化值之差 ΔP。这能够很好地解释对称性理论与实验的矛盾：尽管理论上 In₂Se₃ 没有净的面内极化，但不同极化状态构型之间却存在面内 ΔP（这一点也被计算结果证实）。当施加的面内电场具有与 ΔP 方向一致的分量，且能够克服势垒时，开关过程就能发生。

接下来，仅关注 H 堆叠双层的器件，考虑到 FE 构型的金属性，把它用作器件中的电极，而其他构型可以用作中心区。

计算投影局域态密度（PLDOS），从中提取势垒宽度和高度，计算得到 FE/TT/FE、FE/HH/FE、FE/FE_I/FE 和 FE/FE_II/FE 的隧穿概率，其相对大小与小偏压下的电流一致。畴壁移动对器件的影响不难理解（例如从 FE/FE_I/FE 到 FE/FE_II/FE）：增加注入的载流子数量，缩短沟道区域的长度，从而分别降低势垒高度和减小势垒宽度。FE/FE_III/FE 和 FE/FE_IV/FE 呈现金属性的 PLDOS，直接传导机制带来了良好的导电性能。

使用没有畴壁器件的 PLDOS 进行对比，发现导电沟道的数量主要由中心区畴的极化状态决定，而导电机制主要由畴壁的位置和类型决定。

总结

总之，通过第一性原理计算和量子输运模拟，证明了双层 In₂Se₃ 可以用来实现超薄的非易失多态器件。使用金属铁电构型作为电极，通过调控中心区的畴和畴壁工程调制器件电导，实现了 6 个可区分的非易失导电状态，获得接近 10⁵ % 的 TER 比值。

当 AFE-TT 和 AFE-HH 构型作为中心区域时，它们的导带仅在一个单层内与电极的导带重叠，而梯型壁的存在贡献了一个势垒，导致单沟道隧穿导电。相比之下，当 -FE 构型作为中心区域时，其导带和价带分别与电极的价带和导带重叠，从而实现双沟道导电。在这种情况下，将梯型畴壁与环型畴壁对齐会使费米能级移动到势垒之上，从而实现直接传导。与先前提出的基于 In₂Se₃ 的器件设计相比，这种器件不需要载流子掺杂、原子取代、特殊栅极结构、异质界面工程或施加应变。该工作为原子尺度神经形态器件的设计提供了新思路。

参考文献

• Jindian Chen, Jian Zhou. Tunable transport and multistate memory based on domain-wall engineering in bilayer α-In₂Se3. Appl. Phys. Lett (2026)
• https://doi.org/10.1063/5.0343170