新型低维铁电材料研究进展

能够通过外部电场来调控极化的铁电材料可用于非易失性存储器、场效应晶体管和传感器等领域为了提高器件集成效率与性能,器件的小型化日趋重要,因此铁电薄膜的制备获得了广大学者的关注但是,对于传统铁电薄膜,尺寸效应和表面效应的存在抑制了其发展2004年石墨烯的发现预示着维度降低会引发一些不同于块材的新的特性从此,石墨烯逐步引领大家走向二维材料的世界,掀起了二维铁电材料的研究热潮二维铁电发展至今,已经涌现出了不少既被理论预言又被实验验证的体系,如范德瓦尔斯层状材料、铁电金属、传统低维或表面铁电薄膜、（共价）功能化铁电材料等一系列各具特色的新型铁电材料该文先介绍了铁电物理中的一些最基本的概念、研究理论以及研究方法,然后综述了低维铁电材料在近年来的发展,最后对该领域今后的发展进行了展望     

二维铁电材料的研究进展

铁电材料是一类具有优异的铁电、压电及热释电等性能的功能材料,有着很高的研究价值.随着科学技术的发展,对器件尺寸、功耗提出了更高的要求,微型化、集成化成为目前铁电材料的一大发展趋势.传统铁电材料由于尺寸效应、表面效应等因素制约了其在纳米尺度下的应用,如何解决这一问题成为当下的研究热点之一,其中寻找具有铁电性的二维材料是可能的解决方案.该文综述了近年来研究者们关于二维铁电材料的探索,介绍了二维铁电材料的独特优势,解释了二维材料铁电性的来源以及调控,最后对该领域今后的发展提出了展望.     

二维铁电材料的理论研究进展

对铁电材料的性质和应用的研究已成为材料科学和凝聚态物理领域热门的研究课题之一搜寻和设计结构稳定性好、居里温度高的二维铁电材料可以克服传统钙钛矿型铁电材料在尺度降低时电极化退化的缺点,有利于在技术上实现铁电元器件的小型化、集成化由于实验上制备出来的二维铁电材料比较少,本文重点介绍以第一性原理计算方法为主要手段在二维铁电材料方面取得的最新理论研究成果首先介绍近年来预测的面内极化型和垂直极化型的二维本征铁电材料然后介绍理论上提出的在二维材料中引入铁电性或者增强铁电稳定性的各种方法,包括表面吸附、插层原子、外加应变、电场和选择合适的衬底等最后对二维铁电材料理论研究中存在的问题和未来的研究方向进行讨论     

锆钛酸铅铁电薄膜畴壁导电的相场理论研究

铁电材料中的畴壁因具有不同于电畴内部的能量及极化分布情况而具有特殊的电磁性能.随着电镜技术的发展,铁电薄膜畴壁的导电性日益受到广大科研工作者的关注.畴壁导电是指在绝缘的铁电体材料中,在一定条件下畴壁充当导体传导电流.此传导电流不同于畴结构发生翻转时产生的位移电流.目前越来越多的实验已经探测到多种铁电材料畴壁中的传导电流,但其导电机理在理论上一直没有达成共识.该文采用相场理论模拟二维铁电薄膜的畴壁,通过在薄膜表面施加均匀电场,构造180°畴壁,然后在畴壁处加载局部电压,从理论上研究畴壁的导电性.结果发现:由于电场的施加,畴壁处电势比畴内电势高,载流子聚集在畴壁处;在畴壁处加载局部电压得到电流,畴壁处的电流值随着加载的局部电压值增大而增大.     

低维铁电材料与器件

<正>铁电材料具有独特的电、光、力、声和热学等性能以及它们之间相互耦合或转换的功能,广泛应用于各种功能器件,在国民经济与国防安全中发挥着不可替代的作用。铁电材料一直是凝聚态物理、材料物理与化学、固体力学、微电子学与固体电子学等领域的研究热点。自1920年法国学者Valasek报道罗息盐具有铁电性以来,目前已发现超过1 000种铁电材料,铁电材料与器件领域突破性研究成果经常发表在《Science》和《Nature》等期刊上。现在国际上定期召开集成铁     

低维铁电材料与器件

<正>铁电材料具有独特的电、光、力、声和热学等性能以及它们之间相互耦合或转换的功能,广泛应用于各种功能器件,在国民经济与国防安全中发挥着不可替代的作用。铁电材料一直是凝聚态物理、材料物理与化学、固体力学、微电子学与固体电子学等领域的研究热点。自1920年法国学者Valasek报道罗息盐具有铁电性以来,目前已发现超过1 000种铁电材料,铁电材料与器件领域突破性研究成果经常发表在《Science》和《Nature》等期刊上。现在国际上定期召开集成铁     

二维铁电材料In2Se3的研究进展

近年来,二维材料以其丰富的物性吸引着众多科研工作者的兴趣铁电性是指材料内部自发且可以通过外加电场进行调控的电极化的一种物理特性,在众多实际应用中发挥着不可替代的重要作用然而,在二维材料体系中,垂直于二维面的面外极化铁电性相对来说鲜有发现该文着重介绍近年来所发现的一类同时具有面内和面外极化且相互耦合的二维铁电材料In2Se3的研究进展,包括最初的理论预言,随后的实验验证,及近期在其器件应用方面的探索     

与CMOS工艺兼容的氧化铪基铁电材料的亚稳相及其存储器器件力学

该文对新型的氧化铪基铁电晶体管存储器的巨大优势及其面临的工程和科学问题进行了详细评述,提出了存储器"器件力学"的概念.作为电子信息技术最核心的存储器是衡量国家综合实力和关系国家安全的战略性技术,我国全部依赖进口,几乎不能做到自主可控.新型存储器是我们"变轨超车"的绝佳机会.氧化铪基铁电晶体管(FeFET)存储器与CMOS(互补金属氧化物半导体)工艺完全兼容,这就为其产业化创造了得天独厚的先天条件.HfO_2基铁电薄膜的FeFET存储器与CMOS兼容,可以实现FinFET(鱼鳍3D架构),可以突破后摩尔时代、有望填补"存储鸿沟",具有超高抗辐射能力、能耗低等突出优点,将引领新型存储器的发展方向.疲劳性能不是很好、存储器存储窗口的均匀性欠佳是限制氧化铪基FeFET存储器产业化的技术瓶颈,即工程问题.亚稳相、复杂界面效应、存储器"器件力学"的理论基础不清楚是限制与CMOS工艺兼容的氧化铪基铁电存储器产业化的关键科学问题.需要从氧化铪基FeFET存储器面临的工程问题提炼出基础科学问题,通过氧化铪基材料的铁电物理本质、亚稳相及其本构关系的研究,将界面的物理力学性能研究作为一个桥梁,提出栅极电压V_G即"场效应"和"铁电性"双控制因素下的存储器"器件力学"理论模型和实验研究方法,从而为解决氧化铪基FeFET存储器的技术瓶颈提供理论和实验支撑.     

基于二维钙钛矿的阻变存储器和突触器件研究

基于二维钙钛矿优异的光学特性及二维结构下特殊的电学性质,该文综述了近年来基于二维钙钛矿的纳米电子器件利用二维材料在垂直平面方向固有的电荷传输限制,基于二维钙钛矿的阻变存储器可以达到10 pA的极低工作电流;在人工突触领域,二维钙钛矿的应用可使能耗降低至400 fJ/spike,接近生物突触的能耗最后讨论了二维钙钛矿应用在相关器件中的稳定性问题,分析在光照条件下容易发生的严重分解现象,并阐述了近年来提出的阻止碘流失的致密二维材料包覆技术,以及尚待解决的问题未来,二维钙钛矿有望广泛应用于存储器、仿生突触等领域.     

二维多铁中的磁电耦合

单相多铁目前离实际应用还相当遥远：I类多铁基本没有磁电耦合;II类多铁虽然拥有较强磁电耦合,但极化强度低,居里温度远低于室温近十年来二维范德华材料的相关研究有了长足的发展,而二维铁电和二维多铁的相关报道也在近年开始陆续涌现该文回顾了近期关于二维多铁的一系列研究理论预测表明,二维材料中的多铁存在形式似乎更加丰富二维材料中也存在I类和II类多铁,还有不属于两者其中任何一类的一系列二维多铁材料它们的磁电耦合形式多样：不但有的体系中铁电翻转能使磁矩翻转180°,也有能改变磁各向异性轴的磁 弹 电耦合;还有一种二维多铁独有的耦合方式,其铁电翻转可使二维材料磁性分布改变部分二维多铁能够兼具铁磁、铁电和强磁电耦合,有望解决传统单相多铁目前的瓶颈问题     

不同退火气氛下BNT铁电薄膜的制备及其性能研究

采用溶胶凝胶法(sol-gel)并分别在N2和O2中退火,制备了Bi3.15Nd0.85Ti3O12(BNT)铁电薄膜.对样品进行X射线衍射(XRD)测试,用扫描电子显微镜(SEM)对其形貌进行表征并用铁电分析仪分析其铁电性能(P-E).实验结果显示样品具有纯BTO钙钛矿晶体结构,均匀致密的表面形貌,很好的铁电性能(Pr25 kV/cm2).在O2中退火的BNT薄膜具有更优异的结构和性能,说明O2环境能够有效抑制退火过程中氧空位的产生.     

金属掺杂诱发二维过渡金属卤化物的多铁性

二维过渡金属卤化物（如CrI3）以其独特的电子结构和磁性等性质,受到了越来越多的关注本征的二维过渡金属卤化物通常具有高对称性的结构（如D3d对称性）,导致铁电性质的缺失为了在过渡金属卤化物中诱导多铁性,该文采用密度泛函理论系统地研究了金属原子Li或Al掺杂对二维过渡金属三卤化物RhX3、IrX3（X=Cl、Br）材料结构稳定性、电子性质以及铁磁铁电性质的影响计算结果表明,Li或Al掺杂会引起体系的Jahn Teller畸变,降低体系的结构对称性,从而产生面内的极化同时,金属掺杂引入的电子局域在过渡金属的d轨道上,形成局域磁矩,使得体系同时具有了铁电性和磁性这一发现为实现二维的铁磁铁电性材料提供了新的研究思路,将对自旋电子学的研究发展产生重要意义     

二维材料微观剥离机制的理论计算研究

二维材料由于其优异的电化学、催化、储能等性能受到广泛的关注,探索剥离新型二维材料是当前研究热点,然而目前二维结构实验制备技术还没有达到精确可控的程度,微观剥离机制还有待研究.据此利用密度泛函理论计算,通过计算GN(石墨烯)、black-P、MoS₂、BN,、Ti₃C₂O₂、去Li的LiCoO₂、Li、Si 8种材料的剥离能和电荷空间变化,阐明了不同类型材料的微观剥离机制,总结出了3类不同剥离能范围的微观主导机制.这些结果为发展微观层面可控二维材料制备技术提供了一定的理论依据.     

TiN/HZO/HfO_2/Si铁电晶体管栅结构的~(60)Coγ射线总剂量辐射效应

该文制备了TiN/Hf_(0.5)Zr_(0.5)O_2(HZO)/HfO_2/Si (MFIS)型的铁电晶体管栅结构,并在常规实验环境下对其进行了P-E、J-E、疲劳和保持等的电学性能测试.结果表明这种基于铪系氧化物的栅结构具有优良的电学性能,2P_r可达30μC/cm~2,2E_c约为6.8 MV/cm,矫顽场附近的漏电流密度为10~(-6)A/cm~2,在10~(5 )s保持时间内剩余极化值衰减10%,经10~7次翻转后剩余极化值基本保持不变,经10~9次翻转后剩余极化值的衰减维持在15%以内.MFIS铁电栅的~(60)Coγ射线电离辐射实验结果表明这种栅结构对总剂量电离辐射具有很强的免疫力,在辐射剂量高达5 Mrad(Si)时,电滞回线矩形度、对称性以及保持性能等几乎没有退化.该文所制备的全铪系薄膜铁电栅为高抗总剂量辐射、高读写寿命、长保存时间的高性能晶体管型铁电存储器的制备提供了数据支撑.     

LaFeO_3缓冲层对BaTiO_3铁电薄膜电学性能的调控

采用溶胶-凝胶(Sol-Gel)法制备了BTO、LFO/BTO和LFO/BTO/LFO三种结构的BTO铁电薄膜,旨在通过LFO缓冲层来调控BTO薄膜的电学性能.研究发现:LFO缓冲层的引入减小了BTO铁电薄膜的漏电流,提高了其电滞回线的矩形度,获得了更高的剩余极化、饱和极化和更低的矫顽电压.这种调控作用在LFO/BTO/LFO薄膜中的效果要比在LFO/BTO中更加明显.结果表明,通过合理地设计LFO缓冲层,可以有效地改善BTO铁电薄膜的宏观电学性能.     

PTO种子层对PZT铁电薄膜结晶温度和电学性能的影响

该文采用溶胶-凝胶法(Sol-Gel)在Pt/Ti/SiO_2/Si衬底上制备了PZT和PZT/PTO两种结构的铁电薄膜,通过PTO种子层调控PZT薄膜的微观结构和电学性能.研究发现,加入PTO种子层之后,薄膜的SEM图像呈现出更加致密的形态,晶粒分布较均匀.PZT/PTO铁电薄膜在550℃下退火后测得的剩余极化强度比PZT薄膜650℃下退火获得的剩余极化强度要大,说明种子层的加入降低了薄膜的结晶温度.此外,加入PTO种子层后,PZT铁电薄膜的介电常数升高,介电损耗降低,抗疲劳性能也变好,薄膜的电学性能得到了较好的改善.     

二维硼氮Kagome材料的力学行为和电子性质研究

Kagome晶格因包含平带和狄拉克锥引起了人们的广泛关注.采用基于密度泛函理论的计算方法,以二维硼氮Kagome材料为研究对象,系统研究了硼氮Kagome材料的原子结构、力学性质、电子结构以及对氮气分子的吸附作用.结果表明:硼氮Kagome材料的化学式为B6N6,晶格常数为9.97?,测量B—B、B—N、N—N的键长分...     

二维Bi_2Se_3薄膜的制备及光电性能研究

二维材料由于其优异的电学和光学性能使其在光电器件领域得到了广泛关注.Bi_2Se_3是一种基于强自旋轨道耦合作用形成的拓扑绝缘体,具有高热电系数,一个相互交错的Dirac表面态,且只存在一个Dirac点,是一种理想的拓扑绝缘体材料,有潜力成为室温低能耗的自旋电子器件.该文使用气相沉积法分别在SiO_2/Si基底和柔性PI基底上生长出了连续、高质量的Bi_2Se_3薄膜,在此基础上构建了Bi_2Se_3光电探测器,测试结果表明Bi_2Se_3薄膜材料具有优越的宽波段光谱响应性能,并在柔性PI基底上表现出优异的抗疲劳性能,在新一代柔性光电器件领域有着非常大的应用潜力.