【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】鐵電材料因具有外加電場下可切換的自發(fā)電極化特性，在非易失存儲、存算一體芯片、負(fù)電容晶體管、非線性光伏器件等方面有著廣泛的應(yīng)用。最近基于二維范德華材料的研究闡明了一種全新的鐵電極化機制：滑移鐵電，即通過層間滑移實現(xiàn)鐵電極化的切換。滑移鐵電是當(dāng)前凝聚態(tài)物理的研究前沿?zé)狳c之一，并已經(jīng)在轉(zhuǎn)角莫爾超晶格、以及無轉(zhuǎn)角的菱方相氮化硼和過渡金屬硫化物中得到實驗驗證。雖然滑移鐵電研究已取得系列突破性進(jìn)展，但走向應(yīng)用還存在兩個核心挑戰(zhàn)。1)目前滑移鐵電材料主要通過機械剝離加轉(zhuǎn)移獲得，尺寸通常在微米級別，且產(chǎn)率低，難以滿足大面積集成器件加工需求；2)目前滑移鐵電研究主要聚焦在其基本特性方面，基于滑移鐵電的功能器件尚處空白，急需構(gòu)建高性能滑移鐵電器件，以驗證優(yōu)勢。
中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心張廣宇研究員課題組針對以上兩個核心挑戰(zhàn)，展開了系統(tǒng)研究。針對挑戰(zhàn)一，課題組與合作者提出了“晶格傳質(zhì)-界面外延”材料制備新范式，打破了傳統(tǒng)“表面外延”技術(shù)相結(jié)構(gòu)控制困難和層數(shù)控制困難等制備難點，首次實現(xiàn)了層數(shù)及堆垛結(jié)構(gòu)可控的滑移鐵電菱方相過渡金屬硫族化合物單晶晶圓的通用制備，包括MoS2、MoSe2、WS2、WSe2、NbS2、NbSe2及MoS2(1-x)Se2x。相關(guān)成果以“Interfacial epitaxy of multilayer rhombohedral transition metal dichalcogenide single crystals”為題發(fā)表于Science 385, 99-104 (2024)。
針對挑戰(zhàn)二，張廣宇研究員課題組的博士生李修臻在杜羅軍特聘研究員、張廣宇研究員的指導(dǎo)下，基于制備的大面積菱方相雙層MoS2半導(dǎo)體薄膜，優(yōu)化轉(zhuǎn)移、接觸等器件制備工藝，構(gòu)筑了非易失性可擦寫的滑移鐵電晶體管陣列。基于滑移鐵電菱方相雙層MoS2薄膜的非易失性存儲器件表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，包括>8V 的存儲窗口、>106的開關(guān)比、>10年的保持性、>104次編程的耐久性。利用原子級厚度薄膜的優(yōu)異機械穩(wěn)定性，還首次將非易失性存儲鐵電器件加工到柔性襯底上。在上千次的彎折測試中，器件表現(xiàn)出出色的耐疲勞特征。此外，基于柔性襯底上的滑移鐵電非易失性存儲器件，構(gòu)筑了卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并在圖片識別任務(wù)中實現(xiàn)了高達(dá)97.81%的準(zhǔn)確率。該工作驗證了滑移鐵電的應(yīng)用前景，推動了滑移鐵電向非易失存儲、人工智能等方面的應(yīng)用進(jìn)程。
相關(guān)成果以“Sliding ferroelectric memories and synapses based on rhombohedral-stacked bilayer MoS2”為題發(fā)表在Nature Communications 15, 10921 (2024)。該研究受到了科技部重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金委、中國科學(xué)院先導(dǎo)B、及廣東省重點研發(fā)計劃等項目的資助支持。
圖. 二維滑移鐵電存儲與突觸器件
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