可沿多方向电阻切换的铁电忆阻现象

注：文末有研究团队简介及本文科研思路分析

具有电阻记忆功能的电子器件（忆阻器）有望构筑下一代运行速度更快的类脑计算机。沙特阿卜杜拉国王科技大学（KASUT）薛飞博士后及其合作导师张西祥教授、李连忠教授与何志浩教授报道了α-In₂Se₃忆阻器中多方向电阻切换的忆阻现象，为有效控制阵列式忆阻器件的导电沟道提供了新思路。

铁电材料拥有自发极化的特性，外电场可以改变这种自发极化的方向，在非挥发性存储器领域有着非常重要的应用前景。目前报道的绝大部分铁电体都是基于氧化物的钙钛矿材料，带隙大，导电率低，接近绝缘体。所制备的固态电子器件通常以三明治式的夹层结构为基础，将几个纳米厚的铁电体夹在两个电极中间，从而实现量子隧穿效应，增大器件的导电率。而且，这种器件只是基于铁电体的面外极化效应。受制于导电性的问题，基于铁电体面内极化的电子器件还没有被报道过。

范德瓦尔斯(层状)铁电材料是最近几年才被发现的，这类材料既拥有铁电特性，还有表面无悬键、尺寸大小可控、易于和其它材料集成等二维材料的优点，很适合应用于未来的高密度存储器、传感和神经形态计算等方面。在这些层状铁电体中，α-In₂Se₃很吸引研究人员的注意力。因为它拥有互相自锁的面内和面外极化特性，可以保持本征的铁电性质到单层极限（大约1.2纳米），而且是个窄带隙（大约1.3 eV）的半导体。通过对α-In₂Se₃铁电和压电性质的持续研究后，KAUST团队发现了α-In₂Se₃中多方向电阻切换的忆阻现象，成功制备出面内极化调控的忆阻器。

基于α-In₂Se₃面内极化的平面结构忆阻器表现出门压可调性，门压可用来调控器件的沟道电导，铁电极化状态和电阻切换的开关比。基于面外极化的垂直结构忆阻器可实现集成的高密度器件，密度可达7.1×10⁹ 每平方英尺，而且它们的开关比高达10³以上。同时，利用铁电体α-In₂Se₃面内与面外极化状态的自锁现象成功制备出面内电压脉冲控制面外电阻切换，或者面外电压脉冲控制面内电阻切换的忆阻器件。研究者相信，这种多方向电阻切换的铁电器件为优化集成系统中器件与器件之间的性能差异提供了新思路，而且适用于未来复杂逻辑电路和神经网络计算。

该项成果发表在近期的Advanced Materials上，何鑫博士后为该论文的并列第一作者。

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Gate-Tunable and Multidirection-Switchable Memristive Phenomena in a Van Der Waals Ferroelectric

Fei Xue, Xin He, José Ramón Durán Retamal, Ali Han, Junwei Zhang, Zhixiong Liu, Jing‐Kai Huang, Weijin Hu, Vincent Tung, Jr‐Hau He, Lain‐Jong Li, Xixiang Zhang

Adv. Mater., 2019, 31, 1901300, DOI: 10.1002/adma.201901300

张西祥教授简介

张西祥，现为沙特阿卜杜拉国王科技大学（KASUT）教授，于1992年在西班牙巴塞罗那大学取得博士学位，从1997年到2009年先后担任香港科技大学助理教授、副教授和教授。曾获国家自然科学二等奖，国家杰出青年基金资助，是美国物理学会会员。目前的研究兴趣主要集中在自旋电子学（spintronic）、斯格明子(skyrmion)、拓扑绝缘体、铁电体等低维材料物理领域。已经发表学术论文500多篇，包括以通讯作者身份发表的Nat. Commun., PRL, PRB, Adv. Mater.等。被引用23000多次，H因子为73 （谷歌学术统计）。

薛飞博士后简介

薛飞，于2017年在中科院北京纳米能源所取得博士学位，师从国际材料领域权威王中林院士，之后以博士后身份加入KASUT，先后与国际知名学者：李连忠(Lance Li)教授、何志浩 (Jr-Hau He)教授和张西祥 (Xixiang Zhang)教授合作，在二维铁电体方面做出了系列性的重要成果。目前以第一作者或并列第一作者发表文章12篇，包括2篇Advanced Materials，两篇Advanced Functional Materials, 2篇ACS Nano。研究兴趣是非挥发性存储器，二维铁电体/压电体，神经形态计算。

科研思路分析

Q：这项研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？

A：我们的研究兴趣集中在二维铁电体α-In₂Se₃上。我们已经证明这个材料是个本征铁电体，在没有外延应力辅助的情况下，它的铁电极化在室温下可以克服退极化场的影响，保持到单层一纳米的极限。铁电体的一个重要应用就是非挥发性存储。所以，我们很自然地就要研究基于这个材料的忆阻器件。

Q：研究过程中遇到哪些挑战？

A：本项研究中最大的挑战是如何制备出高开关比的忆阻器。大的开关比非常重要，可以有效地减少存储器在编译时的错误。然而α-In₂Se₃的界面电荷会大大抑制铁电特性，从而降低存储器件性能。如何减少这种影响，制备出高性能器件是我们团队长期要考虑的问题。

Q：该研究成果可能有哪些重要的应用？

A：现在阵列式忆阻器通常采用氧化物为导电沟道，以crossbar结构为构筑模型。但这些阵列式结构中每个节点器件的电阻差异很大，其根源是导电丝的沟道很难控制。这项研究或许为以后构建出导电沟道均一的阵列器件提供思路，其做法是在crossbar阵列的每个节点中，插入侧电极，以有效控制垂直方面的电阻沟道。另外一个应用是未来的神经网络计算，可以利用α-In₂Se₃铁电体模拟人类的大脑的神经活动。