【儀表網 研發快訊】鐵電材料因具有外加電場下可切換的自發電極化特性，在非易失存儲、存算一體芯片、負電容晶體管、非線性光伏器件等方面有著廣泛的應用。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鐵電極化的切換。滑移鐵電是當前凝聚態物理的研究前沿熱點之一，并已經在轉角莫爾超晶格、以及無轉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展，但走向應用還存在兩個核心挑戰。1)目前滑移鐵電材料主要通過機械剝離加轉移獲得，尺寸通常在微米級別，且產率低，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，急需構建高性能滑移鐵電器件，以驗證優勢。
中國科學院物理研究所/北京凝聚態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，展開了系統研究。針對挑戰一，課題組與合作者提出了“晶格傳質-界面外延”材料制備新范式，打破了傳統“表面外延”技術相結構控制困難和層數控制困難等制備難點，首次實現了層數及堆垛結構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。相關成果以“Interfacial epitaxy of multilayer rhombohedral transition metal dichalcogenide single crystals”為題發表于Science 385, 99-104 (2024)。
針對挑戰二，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下，基于制備的大面積菱方相雙層MoS2半導體薄膜，優化轉移、接觸等器件制備工藝，構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出優異的性能，包括>8V 的存儲窗口、>106的開關比、>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異機械穩定性，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，構筑了卷積神經網絡，并在圖片識別任務中實現了高達97.81%的準確率。該工作驗證了滑移鐵電的應用前景，推動了滑移鐵電向非易失存儲、人工智能等方面的應用進程。
相關成果以“Sliding ferroelectric memories and synapses based on rhombohedral-stacked bilayer MoS2”為題發表在Nature Communications 15, 10921 (2024)。該研究受到了科技部重點研發計劃、國家自然科學基金委、中國科學院先導B、及廣東省重點研發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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