【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，南京大學(xué)團(tuán)隊(duì)在自支撐鐵電薄膜中實(shí)現(xiàn)了超低壓強(qiáng)(0.06 GPa)下鐵電極化的力場(chǎng)調(diào)控，并通過與二維半導(dǎo)體的結(jié)合實(shí)現(xiàn)了可兼容力和電擦寫的鐵電場(chǎng)效應(yīng)原型器件。
 

　　近年來(lái)，自支撐氧化物薄膜剝離轉(zhuǎn)移技術(shù)的日漸成熟為實(shí)現(xiàn)功能氧化物/二維半導(dǎo)體的非外延異質(zhì)集成，探索新型高性能電子器件帶來(lái)了新的思路。例如，將自支撐鐵電薄膜與MoS2等二維材料進(jìn)行堆疊，可在硅單晶等半導(dǎo)體片上構(gòu)筑鐵電場(chǎng)效應(yīng)器件。同時(shí)，由于自支撐薄膜不受襯底的剛性束縛，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)超塊體和外延薄膜中所能達(dá)到的應(yīng)變梯度，通過撓曲電效應(yīng)，有望實(shí)現(xiàn)兼容力、電擦寫的新型二維場(chǎng)效應(yīng)器件。
 

　　如圖1所示，該工作利用自支撐薄膜可自由形變的特性，結(jié)合柔性金屬底層電極的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了超低壓強(qiáng)下的極化翻轉(zhuǎn)調(diào)控。與受襯底上束縛的外延薄膜相比，自支撐薄膜允許更自由的晶格畸變，有更多可供選擇的極化翻轉(zhuǎn)路徑，從而有效降低了鐵電極化翻轉(zhuǎn)的勢(shì)壘。以自支撐PbTiO3(PTO)薄膜為例，理論計(jì)算表明，若允許面內(nèi)晶格常數(shù)發(fā)生變化，可顯著降低面外極化180度翻轉(zhuǎn)的能壘；若極化能通過90度旋轉(zhuǎn)作為中間態(tài)，能壘將進(jìn)一步大幅降低。鐵電極化的翻轉(zhuǎn)可以在外加電場(chǎng)和撓曲電場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下發(fā)生，其中撓曲電效應(yīng)是指材料中由于應(yīng)變梯度導(dǎo)致的極化現(xiàn)象。選擇楊氏模量較低的金屬作為基底，可以在自支撐薄膜中產(chǎn)生更大的應(yīng)變梯度，從而產(chǎn)生更大的撓曲電場(chǎng)。因此，結(jié)合自支撐薄膜自由形變顯著降低勢(shì)壘的特性，并通過柔性基底獲得更大的撓曲電場(chǎng)，可在自支撐薄膜中實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵電疇結(jié)構(gòu)的高效力場(chǎng)調(diào)控。
 

圖1. 自支撐鐵電薄膜中力場(chǎng)調(diào)控極化翻轉(zhuǎn)的設(shè)計(jì)
 

　　該團(tuán)隊(duì)借助氧化物分子束外延技術(shù)制備出高質(zhì)量自支撐PTO薄膜，并將其轉(zhuǎn)移至不同基底上，以探究在電場(chǎng)和力場(chǎng)作用下鐵電疇結(jié)構(gòu)的可逆擦寫特性(圖2)。實(shí)驗(yàn)對(duì)比顯示，襯底的束縛以及基底的楊氏模量對(duì)自支撐PTO薄膜中極化翻轉(zhuǎn)的閾值壓強(qiáng)有顯著的影響：基底越軟，所需的閾值壓強(qiáng)越低，與理論計(jì)算相吻合。在厚度為8 nm的自支撐PTO薄膜中，實(shí)現(xiàn)了超低壓強(qiáng)(0.06 GPa)下力場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的極化翻轉(zhuǎn)，是目前報(bào)道的最低值。
 

　　圖2. 自支撐PbTiO3薄膜中實(shí)現(xiàn)了超低壓強(qiáng)(0.06 GPa)下鐵電疇的力場(chǎng)調(diào)控
 

　　進(jìn)一步，該研究團(tuán)隊(duì)還將自支撐PTO薄膜與二維材料MoS2進(jìn)行異質(zhì)堆疊，以PTO作為柵介質(zhì)層，MoS2為溝道材料，金作為背柵電極，構(gòu)建了鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管(圖3)。通過應(yīng)力在PTO層薄膜中誘導(dǎo)撓曲電場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)了鐵電極化的翻轉(zhuǎn)以調(diào)控MoS2的輸運(yùn)性質(zhì)，成功實(shí)現(xiàn)了兼容電場(chǎng)和力場(chǎng)調(diào)控的場(chǎng)效應(yīng)器件。
 

圖3.可兼容力和電擦寫的非易失性鐵電場(chǎng)效應(yīng)原型器件
 

　　本工作利用自支撐薄膜可自由形變顯著降低極化翻轉(zhuǎn)勢(shì)壘的特性，并通過柔性基底獲得更大的撓曲電場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)了超低壓強(qiáng)(0.06 GPa)下鐵電疇的力場(chǎng)調(diào)控。此外，通過與二維材料進(jìn)行異質(zhì)堆疊在硅基片上集成了可兼容力、電擦寫的非易失性鐵電場(chǎng)效應(yīng)器件，展示了自支撐氧化物薄膜在新型高性能器件方面的應(yīng)用前景。
 

　　相關(guān)成果以“Ultralow-pressure-driven polarization switching in ferroelectric membranes”為題發(fā)表在Nature Communications期刊上。南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院楊昕瑞博士、韓露博士、南京大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院寧宏凱博士、北京理工大學(xué)宇航學(xué)院博士生許少慶以及南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院博士生浩波為該論文的共同第一作者，聶越峰教授、王欣然教授以及韓露博士為論文的共同通訊作者。南京大學(xué)吳迪教授、施毅教授、周健教授、北京理工大學(xué)洪家旺教授對(duì)本工作給予了重要指導(dǎo)。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、科技部國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃、教育部“長(zhǎng)江學(xué)者獎(jiǎng)勵(lì)計(jì)劃”、北京市自然科學(xué)基金以及博士后創(chuàng)新人才支持計(jì)劃、博士后面上項(xiàng)目、南京大學(xué)“小米青年學(xué)者”等項(xiàng)目的資助；此外，南京大學(xué)固體微結(jié)構(gòu)物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、人工微結(jié)構(gòu)科學(xué)與技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心、江蘇省功能材料設(shè)計(jì)原理與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室以及重慶超算中心對(duì)該項(xiàng)研究工作給予了重要支持。