[논문 리뷰] A switchable diode based on room-temperature two-dimensional ferroelectric {\alpha}-In2Se3 thin layers

Siyuan Wan, Yue Li외 4명|arXiv (Cornell University)|2018. 03. 13.

2D Materials and Applications참고 문헌 43인용 수 65

한 줄 요약

이 연구는 원자 두께의 실온 2차원 페로일렉트릭 α-In2Se3 계면층(최소 두께 5 nm)을 기반으로 한 스위치 가능한 다이오드를 보여주며, 외부 전압에 의해 면외 방향 전기 극성이 스위칭되어 그래핀/α-In2Se3 이종접합에서의 쇼트키 고리가 조절됨을 보여준다. 이 장치는 약 10⁴의 온/오프 비율을 보이며, 비버니시브 나노전자 장치를 위한 2차원 페로일렉트릭 이종접합의 실현 가능성을 입증한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 초미세 두께의 α-In2Se3에서 실온에서의 내재된 면외 방향 페로일렉트릭성을 입증하는 것.
• 전기장 스위칭을 이용한 2차원 페로일렉트릭에서 나노스케일 도메인 엔지니어링을 달성하는 것.
• 그래핀/α-In2Se3 이종접합에서 스위치 가능한 정류 행동을 갖는 기능성 페로일렉트릭 다이오드를 실현하는 것.
• 2차원 페로일렉트릭 기반의 비버니시브, 저전력 나노전자 장치를 위한 플랫폼을 구축하는 것.

제안 방법

• SiO2/Si 기판 위에 소수층 및 단일층 플레이크를 얻기 위해 고체 α-In2Se3의 기계적 분리.
• 두께 및 표면 형태 특성 분석을 위한 광학 현미경 및 원자력 현미경(AFM) 사용.
• 면외 방향 페로일렉트릭 도메인의 영상 촬영 및 180° 위상 대비를 통한 스위칭을 위한 피에조레ぽ네이스런 힘 현미경(PFM) 사용.
• α-상 결정 구조의 확인 및 266 cm⁻¹에서의 페로일렉트릭 서명 식별을 위한 라만 스펙트로스코피 사용.
• 건식 전달 및 전자빔 증착을 통한 그래핀/α-In2Se3/금속 이종접합의 제작을 통해 장치 통합.
• 소스 미터를 사용한 I-V 측정을 통해 정류 행동 특성 분석 및 히스테리시스 관찰을 통해 스위치 가능한 다이오드 기능을 확인.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 2차원 한계(최소 두께 5 nm)에서 실온에서 내재된 면외 방향 페로일렉트릭성이 α-In2Se3에서 안정화될 수 있는가?
• RQ2 나노스케일에서 외부 전기장에 의해 α-In2Se3의 페로일렉트릭 극성이 가역적으로 스위칭될 수 있는가?
• RQ3 그래핀/α-In2Se3 이종접합에서의 쇼트키 고리가 극성 스위칭에 의해 효과적으로 조절되어 스위치 가능한 다이오드를 구현할 수 있는가?
• RQ4 직류 전압 하에서 얻어진 페로일렉트릭 다이오드의 온/오프 비율과 히스테리시스 행동은 어떠한가?

주요 결과

• α-In2Se3 박막은 약 2 × 10⁵ V/cm의 코erc리브 필드를 가지며, 가역적인 극성 스위칭이 가능한 내재된 면외 방향 페로일렉트릭성을 나타낸다.
• PFM 측정 결과, 반대 방향 극성의 도메인 간에 180° 위상 대비가 관찰되어 실온에서 안정된 페로일렉트릭 극성이 확인된다.
• 단일점 폴링을 통해 도메인 엔지니어링이 성공적으로 수행되었으며, 상자 안에 상자를 형성한 극성 패턴을 기록 및 삭제하였다.
• 그래핀/α-In2Se3 이종접합은 뚜렷한 I-V 히스테리시스를 보이며, 직류 전압 하에서 약 10⁴의 온/오프 비율을 가지는 스위치 가능한 다이오드 효과를 나타낸다.
• 에너지 밴드도는 α-In2Se3 표면에서의 극성 전하가 쇼트키 고리를 조절하여 정류 제어를 가능하게 함을 보여준다.
• 관측된 가장 얇은 α-In2Se3 층 두께는 1.1 nm로, 단일층 α-In2Se3의 성공적인 분리가 확인되었다.