【儀表網 研發快訊】近日，南京大學團隊在自支撐鐵電薄膜中實現了超低壓強(0.06 GPa)下鐵電極化的力場調控，并通過與二維半導體的結合實現了可兼容力和電擦寫的鐵電場效應原型器件。
 

　　近年來，自支撐氧化物薄膜剝離轉移技術的日漸成熟為實現功能氧化物/二維半導體的非外延異質集成，探索新型高性能電子器件帶來了新的思路。例如，將自支撐鐵電薄膜與MoS2等二維材料進行堆疊，可在硅單晶等半導體片上構筑鐵電場效應器件。同時，由于自支撐薄膜不受襯底的剛性束縛，能夠實現遠超塊體和外延薄膜中所能達到的應變梯度，通過撓曲電效應，有望實現兼容力、電擦寫的新型二維場效應器件。
 

　　如圖1所示，該工作利用自支撐薄膜可自由形變的特性，結合柔性金屬底層電極的創新設計，實現了超低壓強下的極化翻轉調控。與受襯底上束縛的外延薄膜相比，自支撐薄膜允許更自由的晶格畸變，有更多可供選擇的極化翻轉路徑，從而有效降低了鐵電極化翻轉的勢壘。以自支撐PbTiO3(PTO)薄膜為例，理論計算表明，若允許面內晶格常數發生變化，可顯著降低面外極化180度翻轉的能壘；若極化能通過90度旋轉作為中間態，能壘將進一步大幅降低。鐵電極化的翻轉可以在外加電場和撓曲電場的驅動下發生，其中撓曲電效應是指材料中由于應變梯度導致的極化現象。選擇楊氏模量較低的金屬作為基底，可以在自支撐薄膜中產生更大的應變梯度，從而產生更大的撓曲電場。因此，結合自支撐薄膜自由形變顯著降低勢壘的特性，并通過柔性基底獲得更大的撓曲電場，可在自支撐薄膜中實現對鐵電疇結構的高效力場調控。
 

圖1. 自支撐鐵電薄膜中力場調控極化翻轉的設計
 

　　該團隊借助氧化物分子束外延技術制備出高質量自支撐PTO薄膜，并將其轉移至不同基底上，以探究在電場和力場作用下鐵電疇結構的可逆擦寫特性(圖2)。實驗對比顯示，襯底的束縛以及基底的楊氏模量對自支撐PTO薄膜中極化翻轉的閾值壓強有顯著的影響：基底越軟，所需的閾值壓強越低，與理論計算相吻合。在厚度為8 nm的自支撐PTO薄膜中，實現了超低壓強(0.06 GPa)下力場驅動的極化翻轉，是目前報道的最低值。
 

　　圖2. 自支撐PbTiO3薄膜中實現了超低壓強(0.06 GPa)下鐵電疇的力場調控
 

　　進一步，該研究團隊還將自支撐PTO薄膜與二維材料MoS2進行異質堆疊，以PTO作為柵介質層，MoS2為溝道材料，金作為背柵電極，構建了鐵電場效應晶體管(圖3)。通過應力在PTO層薄膜中誘導撓曲電場，實現了鐵電極化的翻轉以調控MoS2的輸運性質，成功實現了兼容電場和力場調控的場效應器件。
 

圖3.可兼容力和電擦寫的非易失性鐵電場效應原型器件
 

　　本工作利用自支撐薄膜可自由形變顯著降低極化翻轉勢壘的特性，并通過柔性基底獲得更大的撓曲電場，實現了超低壓強(0.06 GPa)下鐵電疇的力場調控。此外，通過與二維材料進行異質堆疊在硅基片上集成了可兼容力、電擦寫的非易失性鐵電場效應器件，展示了自支撐氧化物薄膜在新型高性能器件方面的應用前景。
 

　　相關成果以“Ultralow-pressure-driven polarization switching in ferroelectric membranes”為題發表在Nature Communications期刊上。南京大學現代工程與應用科學學院楊昕瑞博士、韓露博士、南京大學電子科學與工程學院寧宏凱博士、北京理工大學宇航學院博士生許少慶以及南京大學現代工程與應用科學學院博士生浩波為該論文的共同第一作者，聶越峰教授、王欣然教授以及韓露博士為論文的共同通訊作者。南京大學吳迪教授、施毅教授、周健教授、北京理工大學洪家旺教授對本工作給予了重要指導。該工作得到了國家自然科學基金、科技部國家重點基礎研究發展計劃、教育部“長江學者獎勵計劃”、北京市自然科學基金以及博士后創新人才支持計劃、博士后面上項目、南京大學“小米青年學者”等項目的資助；此外，南京大學固體微結構物理國家重點實驗室、人工微結構科學與技術協同創新中心、江蘇省功能材料設計原理與應用技術重點實驗室以及重慶超算中心對該項研究工作給予了重要支持。