基于纳米铁电材料的范德华异质结构铁电场效应晶体管

近年来随着摩尔定律逐渐走向终结，构筑新型先进电子信息器件成了后摩尔时代的关注热点之一。其中基于二维范德华异质结构的电子器件被行业誉为后摩尔时代的突破点。同时利用铁电材料作为栅介质制备的铁电场效应晶体管是有望突破传统CMOS器件热力学限制的新型信息器件之一，在低功耗芯片和非易失长程存储等方面有广泛应用前景。构建具有二维范德华异质结构的铁电场效应晶体管，有望在未来实现信息处理器件与储存器件的片上集成，从而突破冯诺依曼体系中的“内存墙”瓶颈。但是基于薄膜的主流铁电材料与二维异质结构的缺乏好的兼容性，大大限制了二维铁电晶体管的发展。而近期发现的二维层状铁电材料CuInP₂S₆（CIPS），由于其接近室温的居里温度在某种程度上限制了其在实际中的应用。

针对上述问题，中南大学孙健教授与张斗教授开展合作，联合报道了一种通过熔盐法合成的Na_0.5Bi_4.5Ti₄O₁₅（NBIT）铁电纳米薄片。这种铁电材料能够很好的与二维范德华异质结构兼容，且具有与CIPS相当的铁电性以及高达650 ℃的居里温度。通过范德华堆叠技术，本文中实现了一个基于NBIT与二硫化钼沟道的全范德华异质结构双栅铁电场效应晶体管。得益于NBIT材料高达94的介电常数，实现了对二硫化钼沟道的高效栅极调控，从而观测到了二硫化钼中的金属绝缘体相变，以及近～200 cm²/Vs的高电子迁移率。

图1. 范德华异质结构铁电晶体管器件示意图以及双栅调控性能。图片来源：Adv. Mater.

实验发现NBIT中存在由氧空位造成了电荷陷阱，对二硫化钼沟道造成与铁电相反的逆时针滞回，且在100°C高温下依然保持稳定，可以实现短程储存功能。通过双栅耦合，文中实现了栅介电层NBIT中陷阱电荷和铁电性对于二硫化钼沟道调控的可控转换。基于这项发现，未来通过进一步优化材料和器件结构，有望实现同时具有短程和长程记忆的新型多功能存储器件。

这一成果近期发表在Advanced Materials 上，中南大学刘晓迟副教授与博士研究生周学凡并列第一作者，张斗教授和孙健教授为论文共同通讯作者，主要参与者还包括中南大学罗行副教授。湖南大学刘松教授参与合作。本项研究获得了国家自然科学基金、湖南省百人计划、湖湘高层次人才聚集工程以及粉末冶金国家重点实验室的支持。

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Charge–Ferroelectric Transition in Ultrathin Na_0.5Bi_4.5Ti₄O₁₅ Flakes Probed via a Dual‐Gated Full van der Waals Transistor

Xiaochi Liu, Xuefan Zhou, Yuchuan Pan, Junqiang Yang, Haiyan Xiang, Yahua Yuan, Song Liu, Hang Luo, Dou Zhang, Jian Sun

Adv. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adma.202004813

导师信息

孙健教授

https://www.x-mol.com/university/faculty/270381

课题组网站

https://jiansunjp.wixsite.com/csu-nel

张斗教授

http://faculty.csu.edu.cn/zhangdou/zh_CN/index.htm

http://scholar.google.com/citations?hl=en&user=f9TSNUEAAAAJ

http://www.researcherid.com/rid/G-6005-2012