[論文レビュー] A switchable diode based on room-temperature two-dimensional ferroelectric {\alpha}-In2Se3 thin layers

Siyuan Wan, Yue Li+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 13, 2018

2D Materials and Applications参考文献 43被引用数 65

ひとこと要約

本研究では、室温で動作する原子層程度の厚さ（5 nm）の2次元フェロエレクトリックα-In2Se3層を用いたスイッチング可能なダイオードを示している。外部電圧により面外方向の電気分極がスイッチングされ、グラフェン/α-In2Se3ヘテロジャンクションにおけるショットキー準位差が調整される。このデバイスは、約10⁴のオン/オフ比を示し、非揮発的ナノエレクトロニクス素子に向けた2次元フェロエレクトリックヘテロ構造の実現可能性を裏付けている。

ABSTRACT

Nanoscaled room-temperature ferroelectricity is ideal for developing advanced non-volatile high-density memories. However, reaching the thin film limit in conventional ferroelectrics is a long-standing challenge due to the possible critical thickness effect. Van der Waals materials, thanks to their stable layered structure, saturate interfacial chemistry and weak interlayer couplings, are promising for exploring ultra-thin two-dimensional (2D) ferroelectrics and device applications. Here, we demonstrate a switchable room-temperature ferroelectric diode built upon a 2D ferroelectric {\alpha}-In2Se3 layer as thin as 5 nm in the form of graphene/{\alpha}-In2Se3 heterojunction. The intrinsic out-of-plane ferroelectricity of the {\alpha}-In2Se3 thin layers is evidenced by the observation of reversible spontaneous electric polarization with a relative low coercive electric field of ~$2 X 10^5 V/cm$ and a typical ferroelectric domain size of around tens ${\mu}m^2$. Owing to the out-of-plane ferroelectricity of the {\alpha}-In2Se3 layer, the Schottky barrier at the graphene/{\alpha}-In2Se3 interface can be effectively tuned by switching the electric polarization with an applied voltage, leading to a pronounced switchable double diode effect with an on/off ratio of ~$10^4$. Our results offer a new way for developing novel nanoelectronic devices based on 2D ferroelectrics.

研究の動機と目的

• 超薄膜α-In2Se3における本質的面外フェロエレクトリシティが室温で安定化可能であることを示すこと。
• 電場スイッチングを用いて2次元フェロエレクトリクスにおけるナノスケールドメイン工学を達成すること。
• グラフェン/α-In2Se3ヘテロ構造において、スイッチング可能な整流特性を示す機能的フェロエレクトリックダイオードを実現すること。
• 2次元フェロエレクトリクスを基盤とする非揮発的・低消費電力ナノエレクトロニクス素子のプラットフォームを確立すること。

提案手法

• SiO2/Si基板上に少数層および単層フラケを生成するために、塊体α-In2Se3の機械的剥離。
• 厚さおよび表面形態の特性評価のための光学顕微鏡および原子間力顕微鏡（AFM）測定。
• 面外フェロエレクトリックドメインのイメージングおよび180°位相差を示すスイッチングを可能にするピエゾ応答力顕微鏡（PFM）測定。
• α相の結晶構造を確認し、266 cm⁻¹におけるフェロエレクトリック特徴を同定するためのラマン分光測定。
• 乾式転写および電子ビーム蒸着を用いたグラフェン/α-In2Se3/金属ヘテロ構造の作製により、デバイス統合を実現。
• ソースメーターを用いたI-V測定により、整流特性の特徴を評価し、ヒステリシスを観察することで、スイッチング可能なダイオード機能を確認。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2次元限界（5 nmまで）および室温下で、α-In2Se3における本質的面外フェロエレクトリシティが安定化可能か？
• RQ2 ナノスケールで外部電場を用いてα-In2Se3のフェロエレクトリック分極を逆転可能か？
• RQ3 グラフェン/α-In2Se3ヘテロジャンクションにおけるショットキー準位差が分極スイッチングによって効果的に制御可能か？これによりスイッチング可能なダイオードが実現可能か？
• RQ4 直流バイアス下でのフェロエレクトリックダイオードのオン/オフ比およびヒステリシス特性は何か？

主な発見

• α-In2Se3薄膜は、約2 × 10⁵ V/cmの曲率場を示し、逆転可能な分極スイッチングを可能にする本質的面外フェロエレクトリシティを示している。
• PFM測定により、反平行ドメイン間で180°位相差が観測され、室温下でも安定なフェロエレクトリック分極が確認された。
• 一点ポーリングを用いたドメイン工学により、ボックスインボックス型の分極パターンを効果的に書き込み・消去できた。
• グラフェン/α-In2Se3ヘテロ構造は、明確なI-Vヒステリシスと、直流バイアス下で約10⁴のオン/オフ比を示し、スイッチング可能なダイオード効果を示した。
• エネルギーバンド図から、α-In2Se3界面における分極電荷がショットキー準位差を調整し、整流制御を可能にしていることが示された。
• 観察された最も薄いα-In2Se3層は1.1 nmであり、単層α-In2Se3の成功した剥離が確認された。