單層GaSe中電荷轉(zhuǎn)移的理論研究

0 1引言

鐵電性是電偶極子自發(fā)排列導(dǎo)致的集體極化現(xiàn)象，可通過(guò)外部電場(chǎng)切換。鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FeFET）被認(rèn)為是下一代非易失性存儲(chǔ)器的理想選擇，具有非破壞性讀取和快速重寫(xiě)的特性，通過(guò)雙穩(wěn)態(tài)鐵電極化實(shí)現(xiàn)非易失性功能。近年來(lái)， 二維鐵電性引起廣泛研究興趣，已實(shí)驗(yàn)證實(shí)了一些具有本征鐵電性的二維范德華（vdW）層狀材料，如 CuInP2S6、IV-VI 族化合物（如 SnTe、SnSe 和 SnS）、In2Se3 和 Bi2O2Se，這些二維 vdW 鐵電體的自發(fā)極化源于單層中的非中心對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)。另一方面，二維層狀材料間的 vdW 相互作用較弱，層間滑動(dòng)相對(duì)容易，破壞中心對(duì)稱(chēng)性，導(dǎo)致垂直鐵電性的出現(xiàn)。然而，雙層或多層系統(tǒng)中的層間滑動(dòng)鐵電性通常表現(xiàn)為面外（OOP）極化，缺乏面內(nèi)（IP）極化，并且極化場(chǎng)遠(yuǎn)小于單層的本征鐵電非中心對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)。近年來(lái)，對(duì)具有各種對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的二維材料進(jìn)行鐵電性探索的努力不僅擴(kuò)大了鐵電材料家族，還闡明了二維鐵電性的機(jī)制。GaSe 因其獨(dú)特的物理性質(zhì)備受關(guān)注，關(guān)于其鐵電性，雖然理論上預(yù)測(cè)雙層或多層 GaSe 中可能存在層間滑動(dòng)引發(fā)的垂直極化，但目前還沒(méi)有實(shí)驗(yàn)證實(shí)單層或多層 GaSe 的鐵電性。

0 2成果簡(jiǎn)介

在這項(xiàng)研究中，使用機(jī)械剝離和分子束外延（MBE）技術(shù)制備了少層 γ-GaSe。通過(guò)對(duì) X 射線光電子能譜（XPS）、X 射線衍射（XRD）、拉曼光譜和二次諧波產(chǎn)生（SHG）進(jìn)行綜合測(cè)量，驗(yàn)證了 GaSe 的晶體結(jié)構(gòu)。利用壓電響應(yīng)力顯微鏡（PFM），我們揭示了室溫下多層甚至單層 GaSe 中相互關(guān)聯(lián)的面外（OOP）和面內(nèi)（IP）鐵電性。高角度環(huán)形暗場(chǎng)掃描透射電子顯微鏡（HAADF-STEM）和密度泛函理論（DFT）計(jì)算揭示了單層 GaSe 中 Se 亞層的層內(nèi)滑動(dòng)，這破壞了單層結(jié)構(gòu)的鏡像對(duì)稱(chēng)性從而導(dǎo)致鐵電性。此外，我們制造了一種基于 GaSe 納米薄片作為通道材料的 FeFET 器件，該器件表現(xiàn)出電壓可調(diào)的鐵電開(kāi)關(guān)行為和高通道電流開(kāi)關(guān)比，進(jìn)一步證明了 GaSe 中的面內(nèi)和面外極化。FeFET 器件表現(xiàn)出可逆極化并且不會(huì)失去非易失性鐵電存儲(chǔ)器的特性。我們的研究表明，在具有層內(nèi)滑動(dòng)的二維材料中，鐵電性可以顯著存在，并展示了基于二維鐵電的存儲(chǔ)設(shè)備的應(yīng)用。

0 3圖文導(dǎo)讀

圖 1γ-GaSe的晶體結(jié)構(gòu)和表征 （a）γ-GaSe結(jié)構(gòu)的俯視圖和側(cè)視圖;（b）γ-GaSe 納米片的拉曼光譜;（c）γ-GaSe晶體的 XRD圖譜和相應(yīng)的 XRD標(biāo)準(zhǔn)卡;（d）、（e） γ-GaSe納米片上 Ga3d和 Se3d核軌道峰的 XPS光譜

圖2γ-GaSe的 HAADF-STEM圖像和 SHG信號(hào) (a) 、 (b)γ-GaSe沿 [001] 的HAADF-STEM圖像和相應(yīng)的 SAED衍射圖案；(c) 、(d)γ-GaSe沿[100] 的 HAADF-STEM 圖像和相應(yīng)的 SAED衍射圖案；(e)γ-GaSe納米片在不同激發(fā)功率下產(chǎn)生的 SHG光譜；( f) 極化角度 θ相關(guān)的 SHG強(qiáng)度

圖 3通過(guò) PFM 在 γ-GaSe 納米片上進(jìn)行鐵電極化切換 (a) 具有 14nm 厚度的剝離γ-GaSe 納米片的原子力顯微鏡（AFM ）形貌；(b) 在 GaSe 納米片上進(jìn)行的局部SS-PFM；(c)-( f) GaSe 納米片的 PFM OOP 振幅（c）、OOP相位（d）、IP 振幅（e）和 IP 相位（f）圖像；( g) 生長(zhǎng)在 HOPG 襯底上的單層 GaSe 的 AFM 形貌；(h)、( i)分別為單層 GaSe 和 HOPG 襯底中進(jìn)行的局部 SS-PFM

圖 4GaSe鐵電性的理論計(jì)算 (a)-(c) GaSe的畸變 Q相（a）、非畸變 H相（b） 和畸變 Q’相（c）的 a–cSTEM圖像; (d) Q、H和 Q’相 GaSe單層的幾何結(jié)構(gòu); (e) GaSe 單層中上層和下層之間的差分電荷密度（等值面 0.0025e/Bohr^3，左圖）及相應(yīng)的平面平均差分電荷密度（右圖）;（f）單層中 Q 相沿 z方向的局部電勢(shì);（g）OOP（藍(lán)色點(diǎn)）極化隨著 Se 原子位移的變化，零位移定義為 H 相; ( h) 在雙層 GaSe 中頂層 Q 相和其余層之間的差分電荷密度（等值面 0.0001 e/Bohr^3，左圖）及相應(yīng)的平面平均差分電荷密度（右圖）;（i）雙層 GaSe 中 Q 相沿 z 方向的局部電勢(shì)

圖 5GaSe-FeFET 器件的非易失性存儲(chǔ)器應(yīng)用 (a)、(b) 分別為裝置的示意圖和光學(xué)顯微鏡圖像;（c）GaSe-FeFET 器件的 KPFM 圖像;（d）GaSe 納米片在不同 VDS（5 ， 10V）下的傳輸特性曲線 IDS–VGS;（e）輸出曲線 IDS– VDS 在不同掃描最大VDS 下的滯回曲線;（f） 滯回輸出曲線 IDS–VDS 通過(guò)施加從 80 V 到?80 V 的柵極電壓表現(xiàn)出柵極可調(diào)諧效應(yīng);（g）脈沖柵極電壓偏置極化（±80 V）后調(diào)節(jié)可切換二極管效應(yīng)；（h）、（i）通過(guò)應(yīng)用周期脈沖通道偏置或柵壓，對(duì) GaSe-FeFET 憶阻器進(jìn)行電阻切換

0 4小結(jié) 本文利用鴻之微RESCU軟件，通過(guò)實(shí)驗(yàn)表征和理論計(jì)算，明確證明了 GaSe 具有二維鐵電性，甚至在單層情況下也存在。單層具有鏡像對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的 GaSe 展現(xiàn)了面內(nèi)（IP）和面外（OOP）鐵電性，其起源于 Se 原子亞層的層內(nèi)滑動(dòng)。強(qiáng)烈的極化強(qiáng)度進(jìn)一步證實(shí)了層內(nèi)滑動(dòng)在多層 GaSe 的鐵電性中起主要作用。我們發(fā)現(xiàn) GaSe 中的 IP 和 OOP 鐵電極化相互關(guān)聯(lián)，并可以通過(guò)施加通道或柵極偏置來(lái)反轉(zhuǎn)。在GaSe-FET 憶阻器中，鐵電電阻開(kāi)關(guān)表現(xiàn)出高的 LRS/HRS 比和可逆性。我們的研究不僅擴(kuò)展了二維鐵電材料的基本物理機(jī)制，還為鐵電非易失性器件的實(shí)際應(yīng)用提供了新的選擇。