Small:在无极性2D材料中诱导铁电性

二维(2D)铁电材料在原子层依然具有强的室温铁电性,加之其独特的半导体特性,在铁电器件小型化以及解决传统铁电材料面临的问题方面具有很大的潜力,成为当前的研究热点。这些材料通常具有极性点群。然而在非极性2D材料中引入极性使其具有铁电性,从而实现更多功能和更灵活的调控,仍然是一个挑战。

最近,山西师范大学许小红教授课题组、华中科技大学翟天佑教授课题组合作,通过理论和实验相结合,首次发现在立方相α-Ga2Se3本征缺陷半导体中位于[100]方向非对称位点的Ga空位可以使其产生极性和稳定的自发极化。研究结果表明,α-Ga2Se3纳米片为p型半导体,其厚度下降到~4 nm依然可以观测到极化反转,且居里温度高达450 K,这种极化反转是由于Ga空位在相邻不对称位点的位移。该项研究工作不仅为2D本征缺陷半导体的铁电性的理论和实验研究提供了一个激动人心的主题,而且为超高密度存储以及多功能光电器件挖掘了候选材料。

图1. 立方相α-Ga2Se3中Ga空位诱导的极性点群和极化反转。

第一性原理计算发现在立方相α-Ga2Se3 [100]方向的非对称位点产生Ga空位会诱导极性产生自发极化,极化方向为[100];Ga空位在相邻非对称位点的位移能够使极化发生可逆反转,具有可接受的扩散势垒(~0.78 eV)。

图2. 2D α-Ga2Se3样品的制备示意图和晶体结构研究。

实验上,通过空间限域的物理气相沉积法,成功制备了超薄立方相α-Ga2Se3纳米片。HRTEM结果显示纳米片沿着(111)面择优生长,且具有明显的原子空位。按照理论计算结果,所生长的样品应该具有面内和面外铁电性。

图3. 不同厚度的α-Ga2Se3纳米片的面外铁电性研究。

不同厚度纳米片的PFM测试结果显示:相反电压处理的样品区域具有明显的PFM相位对比度。此外,样品具有接近180度的相位反转和对应的蝴蝶曲线,这些结果证实所生长的2D α-Ga2Se3纳米片具有面外铁电性,而且铁电性在4 nm的超薄样品中依然存在。

图4. 面内铁电性和居里温度的检测。

此外,2D α-Ga2Se3基平面器件出现明显的双向整流特征和电滞回线,进一步证明样品还具有面内铁电性,变温的电滞回线和二次谐波说明该铁电材料的居里温度高达450 K。

山西师范大学许小红教授、华中科技大学翟天佑教授为论文共同通讯作者,薛武红副教授和研究生姜琦涛为共同第一作者。

论文信息:

Discovery of Robust Ferroelectricity in 2D Defective Semiconductor αGa2Se3

Wuhong Xue, Qitao Jiang, Fakun Wang, Ri He, Ruixue Pang, Huali Yang, Peng Wang, Ruilong Yang, Zhicheng Zhong, Tianyou Zhai*, Xiaohong Xu*

Small

DOI: 10.1002/smll.202105599

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202105599