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固體所在二維鐵電隧道結研究方面取得新進展
文章来源: 康丽丽 发布时间: 2019-09-27

  近期,固體所鄭小宏研究員課題組在二維鐵電隧道結的量子輸運研究中取得新進展,采用密度泛函理論+非平衡格林函數方法計算了石墨烯/BiP范德瓦尔斯异质结构的二維鐵電隧道結的输运性质實現了623%的電致電阻比率相關結果以Realizing giant tunneling electroresistance in two-dimensional graphene/BiP ferroelectric tunnel junction爲題目發表在Nanoscale 上。

  鐵電隧道結由于存在電致電阻效應而在非易失性存儲器中具有重要的應用潛力,目前研究最多的是利用金屬或半導體作爲兩端電極,具有鈣钛礦結構的鐵電層作爲中心散射區的三維鐵電隧道結。這類隧道結中,由于兩端電極和中心區界面處的電荷累積導致的退極化效應鐵電層不能做太薄,這導致三維鐵電隧道結難以滿足器件尺寸最小化要求。二維材料由于本身就只有原子層厚度,利用二維鐵電材料構造鐵電隧道結將可以極大地降低鐵電隧道結存储器的尺寸,因此受到人们广泛关注。理论学家已经预测了一大批二維鐵電材料,例如:第四主族硫化物(SnS, SnSe第五主族元素構成的類黑磷結構(BiP)以及類矽烯結構(SbN)等,甚至在實驗上已經制備出了具有垂直面内极化的二維鐵電材料In2Se3然而,二維鐵電隧道結的电致电阻效应如何,是否优于三维鐵電隧道結還需深入研究。

  爲此,鄭小宏研究員課題組采用第一性原理密度泛函理論結合非平衡格林函數方法計算了具有二維範德瓦爾斯異質結構(石墨烯/BiP的二維鐵電隧道結的输运性质。结果發現,通過在左電極的石墨烯層中摻入B原子,在右電極的石墨層中摻入N原子,可以獲得623%的電致電阻比率TER,達到三维鐵電隧道結的電致電阻比率根据之前的研究工作,三维鐵電隧道結的電致電阻比率大概在300%800%範圍內。分析发现,所得的高电致电阻比率来自于左右电极显著不同的屏蔽效应以及由此导致的鐵電反转前后隧穿势垒高度的重大变化。结果表明,二維鐵電材料在构造二維鐵電隧道結,实现巨电致电阻效应以及鐵電存储方面具有重要的应用潜力。

  該項工作得到了國家自然科學基金資助,所有計算均在中科院超算中心合肥分中心完成。

  全文鏈接:http://dx.doi.org/10.1039/C9NR01656B

   

  

  1. 二維石墨烯/BiP鐵電隧道結示意圖(a) BiP爲左極化情況;

(b) BiP爲右極化情況。左/右電極是B/N摻雜的石墨烯/BiP範德瓦爾斯垂直異質結構,中間輸運通道是單層2D鐵電BiP

(c)(d)分別是左電極(L)和右電極(R)的超單胞俯視圖。

             

  

  2. (a) BiP處于兩種極化方向下的透射函數(b) TER比率隨能量的關系

(c) 費米能級處的透射函數在k空間的分布情況(d) 兩種極化方向下散射態分布(E=0k=0)

  

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