[论文解读] 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 65

一句话总结

本研究展示了一种基于原子级厚度、室温下二维铁电α-In₂Se₃层（最薄可达5 nm）的可切换二极管，其中外加电压可切换垂直方向的电极化，从而调节石墨烯/α-In₂Se₃异质结处的肖特基势垒。该器件表现出约10⁴的开/关比，证明了二维铁电异质结构在非易失性纳米电子器件中的可行性。

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.

研究动机与目标

• 证明在室温下，极薄的α-In₂Se₃（低至2D极限）具有本征的垂直方向铁电性。
• 利用电场开关实现二维铁电体中的纳米尺度畴工程。
• 在石墨烯/α-In₂Se₃异质结构中实现具有可切换整流行为的功能性铁电二极管。
• 建立基于二维铁电体的非易失性、低功耗纳米电子器件平台。

提出的方法

• 通过机械剥离法制备少层及单层α-In₂Se₃纳米片，沉积于SiO₂/Si基底上。
• 利用光学显微镜和原子力显微镜（AFM）对厚度和表面形貌进行表征。
• 采用压电力显微镜（PFM）对垂直方向铁电畴进行成像与180°相位对比的极化切换。
• 利用拉曼光谱确认α相晶体结构，并识别266 cm⁻¹处的铁电特征信号。
• 通过干法转移和电子束蒸发工艺制备石墨烯/α-In₂Se₃/金属异质结构，实现器件集成。
• 利用源表进行I-V测量，表征整流行为并观察到滞后现象，证实可切换二极管功能。

实验结果

研究问题

• RQ1 在2D极限（低至5 nm）和室温下，α-In₂Se₃能否稳定本征的垂直方向铁电性？
• RQ2 在纳米尺度下，α-In₂Se₃中的铁电极化能否通过外加电场实现可逆切换？
• RQ3 通过极化切换能否有效调制石墨烯/α-In₂Se₃异质结处的肖特基势垒，从而实现可切换二极管？
• RQ4 在直流偏置下，所得铁电二极管的开/关比和滞后行为如何？

主要发现

• α-In₂Se₃薄层表现出本征的垂直方向铁电性，其矫顽场约为~2 × 10⁵ V/cm，支持可逆极化切换。
• PFM测量显示反平行畴之间呈现180°相位对比，证实室温下铁电极化稳定存在。
• 通过单点极化处理实现了畴工程，成功写入并擦除“盒中盒”形的极化图案。
• 石墨烯/α-In₂Se₃异质结表现出可切换二极管效应，具有明显的I-V滞后特性，且在直流偏置下开/关比约为10⁴。
• 能带图显示，α-In₂Se₃界面处的极化电荷可调制肖特基势垒，从而实现整流控制。
• 观测到的最薄α-In₂Se₃层为1.1 nm，证实成功剥离出单层α-In₂Se₃。