近日，集成电路学院前沿所赵昱达研究员联合复旦大学车仁超教授、中国人民大学季威教授等组成研究团队，研究了二维范德华铁电半导体α-In₂Se₃肖特基结器件的奇异电学输运行为和工作机理，重点揭示了层间堆叠方式与铁电畴壁形态、铁电翻转行为、相变路径等性质的依赖关系，为通过层间堆叠工程调控铁电畴壁类型、演化动力学行为和信息功能器件构筑提供了新策略。相关结果于 2024年12月2日以 “Stacking selected polarization switching and phase transition in vdW ferroelectric α-In₂Se₃ junction devices” 为题发表在Nature Communications 15, 10481 (2024)上。

浙江大学集成电路学院前沿所博士生张天娇和复旦大学博士生吴雨旸、中国人民大学博士生郭的坪为论文共同第一作者。浙江大学集成电路学院赵昱达研究员、复旦大学车仁超教授、中国人民大学季威教授为该论文的共同通讯作者。该工作的器件部分由浙江大学集成电路学院张天娇和赵昱达研究员完成，第一性原理计算和电镜表征由合作单位完成，并得到了国家自然科学基金、科技部、教育部等项目的支持。

1.课题亮点：

该项工作展示了2H和3R两种堆叠方式对α-In₂Se₃铁电半导体肖特基结器件(FSMJ)的电学输运影响，深入探索了其层间堆叠依赖的铁电回滞现象。研究发现2H 堆叠的α-In₂Se₃ FSMJ器件的回滞窗口小于3R堆叠器件，结合透射电镜和第一性原理计算研究了α-In₂Se₃铁电畴壁类型和演化动力学行为（图1），证明了3R堆叠的α-In₂Se₃具有面外畴壁，有利于极化切换，导致极化强度高；而2H堆叠的α-In₂Se₃中具有面内畴壁，极化切换困难，导致In₂Se₃和底部金属界面的极化切换不完全。

进一步，器件在高电场下表现出铁电退化行为，观测到2H堆叠器件会不可逆地跳变到低阻态；而3R堆叠器件会先由模拟态转变为数字态，进而跳变为不可逆的低阻态。结合透射电镜和第一性原理计算结果，证明了在高电场下2H α-In₂Se₃在热力学因素主导下经历了层内断键和层间成键等复杂过程进行了α到β相变，导致器件切换到低阻态；而3R堆叠的α-In₂Se₃在热力学和动力学因素共同作用下，通过层内原子滑动实现相变（图2）。这些结果说明了器件在高电场下的输运特性转变由相变过程决定，与In₂Se₃堆叠结构有关。

图1. 堆叠结构对In2Se3 铁电半导体肖特基结器件回滞窗口的影响

图2. 在高电场下不同堆叠方式的铁电-顺电相变行为

2.课题背景：

铁电畴壁是分离铁电材料中不同电极化取向的功能界面。在二维层状铁电薄膜中，这些畴壁的取向可以垂直（面外畴壁）或平行（面内畴壁）于薄膜表面。在电场作用下，带电的畴壁显示出较高的空间迁移率，展示了动态创建、移动和擦除畴壁的潜力。尽管对铁电器件的性能调节和功能设计至关重要，精确控制铁电畴壁的类型和运动行为、揭示这些畴壁性质调控的原子尺度机制，仍然面临诸多挑战。二维α-In₂Se₃是一种独特的范德华铁电半导体，在非易失性存储器等中有应用潜力，且In2Se3至少具有两种堆叠类型（2H和3R）和三种相结构（α，β和β’），表现出多态性，目前尚不清楚堆叠构型和相结构如何影响畴壁结构和运动，从而影响相应器件的电阻开关特性。

文章信息：

标题：Stacking selected polarization switching and phase transition in vdW ferroelectric α-In2Se3 junction devices.

作者：Yuyang Wu^#, Tianjiao Zhang^#, Deping Guo^#, Bicheng Li, Ke Pei, Wenbin You, Yiqian Du, Wanchen Xing, Yuxiang Lai, Wei Ji*, Yuda Zhao* & Renchao Che*

DOI：10.1038/s41467-024-54841-7

期刊：Nat Communications

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-54841-7

研究团队简介：

赵昱达浙江大学集成电路学院百人计划研究员 前沿所副所长博士生导师

博士毕业于香港理工大学，之后在香港理工大学和法国斯特拉斯堡大学从事博士后研究工作。入选欧盟“玛丽·居里学者”，中国科协青年人才托举工程，省海外引才计划。目前承担国自然重大项目子课题,国自然-香港合作研究重点项目,国自然青年科学基金项目,科技部重点研发计划等。已发表论文 50 余篇，其中作为第一/通讯作者在 Nature Communications, ChemicalReviews, Advanced Materials 等期刊发表 27 篇论文。主要研究方向是:基于二维材料的后摩尔时代新型半导体器件,包括逻辑器件,类视觉感存算一体器件、智能感知系统等。

张天娇浙江大学集成电路学院2021级直博生

导师为赵昱达研究员，研究方向为二维材料异质结器件及其逻辑与神经拟态应用。博士期间发表论文11篇，其中以第一作者身份在Nature communication、Materials&Design等发表论文3篇。