北京大学&新加坡国立大学：发现二维滑移铁电结中的巨阻现象

导语

自1921年首次报道铁电性以来，铁电现象引起了基础物理学和器件应用的极大兴趣。目前所有发现的铁电体都是极性的，包括最近报道的二维铁电体材料。直到最近，实验报道了一种全新的二维非极性铁电体 -双层范德华六方氮化硼 (BBN)（Science 2021, 372, 1458和Science 2021, 372, 1462）。块状h-BN是非极性的，双层BN极化的获得是通过平面内范德华滑移转换极化方向的机制形成，极化方向沿着面外。这一铁电性质和它优越的机械、电子、化学性质和热稳定性使滑移铁电BBN成为集成到当前硅基电子设备中或用于未来新技术的理想单元材料。

成果掠影

近日，北京大学物理系杨金波教授和新加坡国立大学合作者研究了双层BN滑移铁电隧道结的量子输运表现，该滑移铁电器件具有高达10⁴ %的TER（tunneling electroresistance）。相应工作以“Giant tunnelling electroresistance through 2D sliding ferroelectric materials”为题发表在Materials Horizons上（Mater. Horiz., 2022,9, 1422-1430），并入选杂志封面。

图文分析

文章使用Au作为金属电极和双层BN（bilayer BN）形成铁电隧道结，如图1所示。通过第一性原理量子输运计算方法，计算并预测了BBN滑移铁电结（sliding FTJ）的输运行为。研究惊奇地发现，由单纯BBN与Au电极构成的SFTJ中，竟没有出现材料中所报道铁电极化。进一步的深入分析发现原因是由于Au电极与和它直接接触的双层BN产生强的Au/BN界面电场造成的（图2）。Au/BN的接触电场破坏了BBN内部的电荷转移，导致原本材料内的铁电极化被消除。基于原理的发现，作者提出插入单层石墨烯（1Gr）就可以有效隔离Au与BN之间的极化场，使Au/1Gr/BBN/1Gr/Au SFTJ中的滑移铁电性得以恢复（图3）并产生巨大的隧道电阻。文章使用功函数近似和量子输运计算两种方法比较1Gr插入前后的界面性质，发现1Gr插层并不会改变BN的界面特性，尤其是肖特基势垒（图4）。BBN的SFTJ中的铁电性表现和产生的巨大TER，意味着二维范德华层间滑动工程在铁电存储器件方面具有潜在的应用前景。

图1  AA，AB，BA堆垛型双层BN的原子排列示意图和不同原子构型双层h-BN在Au (111)上的截面图与侧视图

图2  （a）双层h-BN滑动铁电隧道结 (Au/BBN/Au)中铁电极化消失的I-V 输出曲线和相应Au/BN界面处电荷转移和界面偶极子示意图，+和−分别是正电荷和负电荷

图3  (a)单层石墨烯插层后的BBN FTJ的I-V输出曲线；(b)BBN滑移铁电隧道结的TER

图4  （a）1Gr插入前后Au/BN的能带结构，蓝色为BN p_z轨道投影；（b）功函数近似下的BN界面能带边匹配图；（c）量子输运下的局域态密度分布

小结

到目前为止，所有报道的FTJ均是基于极性铁电材料。本文中的工作首次评估了非极性二维材料中的巨大TER，并完善分析确定了SFTJ中独特的界面电子特性，揭示出二维垂直铁电体中设计铁电保护的必要性，有助于推动新型滑移铁电体在二维非易失性存储领域的研究和应用。