二维α-In2Se2的铁电性与器件应用

铁电体具有可控的非易失电极化,在现代电子学中有着广泛的应用,例如大容量电容器、新型二极管、铁电场效应晶体管、铁电隧道结等．伴随着电子元器件的不断微型化,传统铁电体面临着极大的挑战,即在器件减薄过程中受限于临界尺寸效应,铁电性很难稳定存在于纳米乃至单原子层二维极限厚度下．鉴于二维范德华材料具有界面饱和、层间相互作用弱、易于实现二维极限厚度等特性,因此,在二维材料家族中寻找室温二维铁电性将是解决传统铁电体瓶颈的有效方法．本文将首先回顾近年来二维铁电物性研究的相关背景,并针对其中在技术应用上较为重要的α-In２Se３ 面外铁电性作详细介绍,最后总结基于二维α-In２Se３ 的铁电器件应用进展。     

n=2 Ruddlesden-Popper Sr_3B_2Se_7(B=Zr,Hf)非常规铁电性的第一性原理研究

近年来,层状钙钛矿材料中存在的非常规铁电性为新型铁电体设计提供了新的途径.基于第一性原理,本文系统研究了具有Ruddlesden-Popper (RP)(n=2)结构的Sr_3B_2Se_7 (B=Zr, Hf)化合物的基态结构、电子结构和非常规铁电性.研究表明, Sr_3B_2Se_7 (B=Zr, Hf)基态均为具有A2_1am极性相的直接带隙半导体;其非常规铁电性来源于BSe_6八面体的两种旋转模式的耦合.而且,因具有较强的铁电极化值与可见光吸收带隙, Sr_3B_2Se_7 (B=Zr, Hf)有望成为新一代铁电光伏材料.     

基于环丁烯-1,2-二羧酸分子的二维有机铁电分子晶体单层的设计与理论研究

有机分子铁电材料相较于传统无机铁电材料具有轻质、柔性、不含重金属原子和成本低等诸多优点,长期以来得到了广泛的关注和研究.近年来,原子厚度的二维无机铁电材料的研究取得了突破性进展,因而备受关注,然而二维有机铁电材料的设计与研究却鲜有报道.本文基于密度泛函理论方法设计了一种以环丁烯-1,2-二羧酸(cyclobutene-1,2-dicarboxylic acid, CBDC)分子为结构单元的二维单层有机铁电分子晶体.由于CBDC分子晶体内部氢键的链状排布,导致其块体呈现出明显的层状结构,计算发现内部的氢键链使得CBDC分子晶体块体具有各向异性的剥离能,因此有望由沿着剥离能最低的(102)晶面进行机械/化学剥离而获得相应的单层有机铁电分子晶体.理论计算预测CBDC (102)分子晶体单层的面内自发极化约0.39×10–6μC/cm,可与部分无机同类相比拟.计算表明CBDC (102)分子晶体单层具有较高的极化反转势垒,且对外加单轴应力的响应较为敏感. CBDC (102)单层有机铁电分子晶体的高面内自发极化以及易被界面调控的极化反转势垒使其可被应用于轻质无金属及柔性铁电器件.     

低维铁电材料研究进展

铁电材料是一类重要的功能材料,铁电元件的小型化、集成化是当今铁电材料发展的一大趋势.但是尺寸效应、表面效应等的存在制约了传统块体铁电材料在纳米尺度下的应用,因而低维度纳米材料中的铁电性能研究成为当前材料科学领域的研究热点之一.本文综述了近年来理论和实验上关于低维铁电材料的探索,包括二维范德瓦耳斯层状铁电材料、共价功能化低维铁电材料、低维钙钛矿材料、外界调控以及二维"铁电金属"等材料的理论预言与实验铁电性的观测;也提出一些物理新机制来解释低维下的铁电性;最后对该领域今后的发展进行了展望.     

若干In2Se3化合物的晶体结构与电子特性

In_2Se_3是一种常见的A_2~ⅢB_3~Ⅵ型半导体,在不同温度下可表现出不同的物相,对应的晶格参数与物理性质也会有所不同.在过去几十年间,In_2Se_3的多相性引起了人们的关注,各物相的晶体结构被广泛地研究.近年来,研究发现α-In_2Se_3具有优异的光电、压电性能以及独特的铁电性能,可以预见它将在未来的半导体电子器件中发挥出重要的作用.本文综述了一系列In_2Se_3化合物的晶体结构与电子特性,我们首先简要介绍了这些In_2Se_3化合物的基本知识,接着详细讨论了它们的晶体结构与电子特性,最后对In_2Se_3化合物的研究前景进行了展望.     

V族元素掺杂的单层二维铁电α-In2Se3中的带隙异常增大现象

基于第一性原理密度泛函理论计算, 我们探索了 V 族元素(P,As 和Sb) 掺杂的单层二维铁电α-In2Se3 的电子结构. 由于本征的α-In2Se3 中存在两个不等价的In 原子层,V 族元素掺杂在不同的In 原子层会表现出不同的能带结构, 对于带隙变化尤为明显. 当掺杂元素位于α-In2Se3 的四面体配位的In 原子层时, 其带隙相比于本征的单层α-In2Se3 的带隙明显增大, 这与通常半导体或绝缘体中杂质掺杂的物理图像相反. 利用α-In2Se3 的铁电特性, V族元素掺杂的单层α-In2Se3 的带隙可以通过施加外电场翻转α-In2Se3 电极化的方向来调控. 这项工作为在二维材料中构建具有不同电子性质的非易失双态提供了一种实际有效的方法.     

二维铁电材料α-In2Se3 表面分子束外延生长Pb 纳米岛的STM 研究

铁电材料拥有自发电极化, 不同的极化方向会对异质结的电子结构产生可逆的和非易失性的影响. 本工作采用分子束外延技术在二维铁电材料α-In2Se3 衬底上成功制备了 Pb 纳米岛构建 Pb/α-In2Se3 超导铁电异质结,并通过扫描隧道显微镜表征了其表面原子结构与电子结构. 进一步的扫描隧道谱测量显示不同层厚 Pb 岛的量子阱态消失, 并且我们在4.5 K 的温度下没有观察到超导能隙, 表明铁电衬底会影响 Pb 岛的电子结构, 甚至其超导特性. 这些发现为理解铁电衬底对超导性的影响提供了参考, 并为调控低维量子材料中的电子结构及超导性提供了新的思路.     

室温稳定的二维铁电材料：CuInS2P6 及其异质结构

二维铁电材料有助于实现半导体性质与非易失存储特性在微纳尺度上的有机结合,在高集成化电子器件、光电器件、能量收集、及机电耦合系统等领域展现出巨大的应用潜力。二维铁电材料的层状结构,保证了原子层间的可剥离性,为从理论和实验上探索超薄极限下的铁电性质提供理想的研究平台。考虑到二维磁性研究的低温瓶颈,二维铁电材料为实现铁性功能材料的高温器件化与实用化提供了新途径。在本文中,我们介绍了一种室温稳定的二维铁电材料：铜铟硫代磷酸盐(CuInP2S6)。该材料体系的科学内涵和应用前景,引发了新的研究热潮。在本文中,关于其较高的铁电居里转变温度、显著的压电响应、巨大的负纵向压电系数、可调谐的四重势阱铁电特性、以及基于该材料及其异质结构的器件研究,均有所涉及。我们还简要介绍了几种过渡金属硫代磷酸盐化合物材料体系(M^IM^IIIP2(S/Se)6)中的其他代表性材料。最后,我们关于二维铁电材料研究的未来发展方向进行了讨论。     

姜泰勒扭曲和轨道序诱导的二维铁磁性

随着体系维度的降低,材料内部的量子限制效应和电子关联作用会相应地增强,往往可以衍生一些新奇的物理特性.在钙钛矿材料中,姜泰勒扭曲和轨道序通常会引起丰富的电子关联行为.本文通过第一性原理计算、对称性分析和蒙特卡罗模拟等方法,对比研究了钙钛矿氟化物KCuF₃及其单层结构,揭示了钙钛矿二维化引起的晶格动力学、结构、电子及磁性质等方面的变化.结果表明,KCuF₃块体中出现的协作姜泰勒扭曲和面内交错轨道序可以维持到单层极限,导致单层为二维铁磁绝缘体.与块体相不同的是,在单层中姜泰勒扭曲模式作为原型相的软模出现,且单层的绝缘性不依赖于姜泰勒扭曲的出现,而是与电子关联效应的增强有关.本文为研究二维钙钛矿材料以及设计基于钙钛矿的二维铁磁体提供了指导和借鉴.     

原子厚度的二维亚波长超透镜

超透镜（Metalens）是结合了超表面原理和超薄平板光学原理制作的一类自身尺度在亚波长范围内,能够对光波前进行重塑的新兴人工光学器件。二维范德华材料的出现为超透镜光学器件提供了丰富的材料选择以及功能调控方面的可能。以石墨烯、过渡族金属硫族化合物等为典型代表的二维材料归功于其层间相对较弱的范德华相互作用,可通过机械剥离、化学气相沉积等方法获得原子层厚度平整的单晶,天然满足超透镜材料厚度尺寸要求,其自身以及溶于溶剂形成的二维液晶材料均具有优异的电学、光学、机械、磁性等丰富的物理特性,且性能高度可调控,使得基于二维材料的超透镜除能满足传统透镜的特性功能外,还有望通过包括静电调控等方式得到具有可调控的新奇物理特性。因此,对基于二维材料的超透镜的发展现状进行总结,并结合其材料结构特性进行相关的展望对该行业的发展是十分迫切的。本综述主要围绕二维材料超透镜展开,概述了该类透镜的研究进展,包括二维层状材料以及二维液晶材料、二维材料超透镜的潜在应用前景,以及对二维超透镜这一新兴研究领域未来的发展方向进行了适当的总结与展望。     

二维铁电体CuCrP2S6的第一性原理研究

三维铁电体材料以其众多优良的性质在许多电子行业内起着无可替代的作用,如制作铁电存储器、高能电容器等等.但随着纳米技术的日趋成熟,磁电材料逐渐受到悬空键和量子隧穿效应等负面因素的影响.因而,二维铁电材料逐渐进入科研人员的视野,它有望克服上述难题.本文利用第一性原理密度泛函理论模拟,关注了一种典型的层状金属硫磷酸盐——Cu...     

层数变化对堆叠生长的MoS_(2(1-x))Se_(2x)电子结构的影响

二维过渡金属硫化物因其独特的光电特性在多功能光电器件方面具有广泛的应用前景.为了进一步拓展其在微纳光电子器件方面的应用范围,并提高器件性能,人们开展了通过合金手段改变端组分材料配比实现对二维半导体材料带隙调控的带隙工程以及调控生长条件改变材料形貌和结构的缺陷工程研究.本文利用光学、原子力和扫描电子显微镜等设备以及拉曼和光致发光光谱等手段对由化学气相沉积法生长出来的堆叠状MoS_(2(1-x))Se_(2x)合金的性质进行了研究.不同于大多数单层或少层MoS_(2(1-x))Se_(2x)合金的情况,堆叠生长的阶梯状MoS_(2(1-x))Se_(2x)合金材料在厚度从2.2 nm (约3层)一直增加到5.6 nm (约7层)时都显出了较强的发光特性,甚至在100 nm厚时,样品的发光谱线仍具有两个发光峰.两个激子发光峰分别来源于自旋轨道耦合造成的价带劈裂.随着厚度的增加,两个峰都逐渐红移,显示了合金掺杂时的能带弯曲效应.拉曼光谱给出了类MoS_2和类MoSe_2两套振动模.随着厚度的增加,拉曼峰位几乎不移动,但面内的两个振动模E_(2g(Mo-Se))和E_(2g(Mo-s))逐渐显现并增强.显然缺陷和应力是影响堆叠生长MoS_(2(1-x))Se_(2x)合金样品电子结构的主要因素,这为特殊功能器件的制备和可控缺陷工程的研究提供了有益的参考.     

光栅局域调控二维光电探测器

近年来,二维材料独特的物理、化学和电子特性受到了越来越多的科研人员的关注.特别是石墨烯、黑磷和过渡金属硫化物等二维材料具有优良的光电性能和输运性质,使其在下一代光电子器件领域具有广阔的应用前景.本文将主要介绍二维材料在光电探测领域上的应用优势,概述光电探测器的基本原理和参数指标,重点探讨光栅效应与传统光电导效应的区别,...     

二维过渡金属硫族化合物中的缺陷和相关载流子动力学的研究进展

原子级厚度的单层或者少层二维过渡金属硫族化合物因其独特的物理特性而被寄希望成为下一代光电子器件的重要组成部分.然而,二维材料的缺陷在很大程度上影响着材料的性质.一方面,缺陷的存在降低了材料的荧光量子效率、载流子迁移率等重要参数,影响了器件的性能.另一方面,合理地调控和利用缺陷催生了单光子源等新的应用,因此,表征、理解、...     

核磁共振在铁电相变研究中的应用

一、引 言 实验表明,有些晶体当温度降低到某一临界温度Tc以下时会出现自发极化,而且自发极化强度的方向可以因施加电场而反向.晶体的这种性质称为铁电性.由非铁电晶体转变为铁电晶体的温度称为该晶体的铁电居里温度.有些晶体有上、下两个居里温度,在这两个温度之间,它具有铁电性,而在其他温度下则没有铁电性.1921年实验上第一个发现的铁电体罗息盐(酒石酸钾钠)就属于这种情形.因为铁电性的出现或消失总伴随着晶体结构的改变,所以它是一个相变过程,称为铁电相变. 由于很多铁电体都有重要的技术上的用途(例如作为压电材料、非线性光学材料),…     

表界面调控米级二维单晶原子制造

随着芯片尺寸不断缩小,短沟道效应、热效应日趋显著.开发全新的量子材料体系以实现高性能芯片器件应用已成为当前科技发展的迫切需求.二维材料作为一类重要的量子材料,其天然具备原子层厚度和平面结构,能够有效克服短沟道效应并兼容当代微纳加工工艺,非常有望应用于新一代高性能器件方向.与硅基芯片发展类似,二维材料芯片级器件应用必须基于高质量、大尺寸的二维单晶材料制造.然而,由于二维材料的表界面特性,现有体单晶制备技术不能完全适用于单原子层结构的二维单晶制造.因此,亟需发展新的制备策略以实现大尺寸、高质量的二维单晶原子制造.有鉴于此,本文重点综述表界面调控二维单晶大尺寸制备技术发展现状,总结梳理了米级二维单晶原子制造过程中的3个关键调控方向,即单畴生长调控、单晶衬底制备和多畴取向控制.最后,系统展望了大尺寸二维单晶在未来规模化芯片器件方向的潜在应用前景.     

二维材料/铁电异质结构的研究进展

二维材料是一类具有原子层厚度的层状材料,拥有独特的电学、磁学、光学和力学性能.以石墨烯和过渡金属硫族化合物为代表的二维材料展现出迁移率高、能带可调、可见光透过率高等特点,是近年来微纳科学领域的前沿热点.将二维材料与各种功能材料,如SiO_2绝缘体、半导体、金属、有机化合物等结合,可以深化和拓宽二维材料的基础研究和应用.其中,铁电材料因具有自发极化、高介电常数、高压电系数等优点吸引了众多研究者的目光.二维/铁电复合材料很好地兼顾了二者的优点,不仅包含了磁电耦合效应、铁电场效应、晶格应变效应、隧穿效应、光电效应、光致发光效应等丰富的物理现象,而且在多态存储器、隧穿晶体管、光电二极管、太阳能电池、超级电容器、热释电红外探测器等器件中有广阔的应用前景,引起了学术界的广泛关注.本文选取典型的二维/铁电复合材料,重点介绍了这类材料界面处的物理机制、材料的性能以及应用前景,并对二维/铁电复合材料的研究进行了展望.     

磷化铟高电子迁移率晶体管外延结构材料抗电子辐照加固设计

为研究磷化铟高电子迁移率晶体管(InP HEMT)外延结构材料的抗电子辐照加固设计的效果,本文采用气态源分子束外延法制备了系列InP HEMT外延结构材料.针对不同外延结构材料开展了1.5 MeV电子束辐照试验,在辐照注量为2×10¹⁵ cm^-2条件下,并测试了InP HEMT外延结构材料二维电子气辐照前后的电学特性,获得了辐照前后不同外延结构InP HEMT材料二维电子气归一化浓度和电子迁移率随外延参数的变化规律,分析了InP HEMT二维电子气辐射损伤与Si-δ掺杂浓度、InGaAs沟道厚度和沟道In组分以及隔离层厚度等结构参数的关系.结果表明:Si-δ掺杂浓度越大,隔离层厚度较薄,InGaAs沟道厚度较大,沟道In组分低的InP HEMT外延结构二维电子气辐射损伤相对较低,具有更强的抗电子辐照能力.经分析原因如下:1)电子束与材料晶格发生能量传递,破坏晶格完整性,且在沟道异质界面引入辐射诱导缺陷,增加复合中心密度,散射增强导致二维电子气迁移率和浓度降低;2)高浓度Si-δ掺杂和薄隔离层有利于提高量子阱二维电子气浓度,降低二维电子气受辐射...     

二维磁性过渡金属卤化物的分子束外延制备及物性调控

二维磁性材料的自发磁化可以维持到单层极限下,为在二维尺度理解和调控磁相关性质提供了一个理想的平台,也使其在光电子学和自旋电子学等领域具有重要的应用前景.晶体结构为层状堆叠的过渡金属卤化物具有部分填充的d轨道和较弱的范德瓦耳斯层间相互作用等特性,是合适的二维磁性候选材料.结合分子束外延(MBE)技术,不仅可以精准调控二维磁性材料生长达到单层极限,而且可以结合扫描隧道显微术等先进实验技术开展原子尺度上的物性表征和调控.本文详细介绍了多种二维磁性过渡金属卤化物的晶体结构和磁结构,并展示了近几年来通过MBE技术生长的二维磁性过渡金属卤化物以及相应的电学和磁学性质.随后,讨论了基于MBE方法对二维磁性过渡金属卤化物的物性进行调控的方法,包括调控层间堆垛、缺陷工程以及构筑异质结.最后,总结并展望了二维磁性过渡金属卤化物研究领域在未来的发展机会与挑战.     

双轴应变调控二维单层C2X2TM（X = O, H; TM=Fe, Cr） 的多铁性研究

基于密度泛函理论的第一性原理计算,系统地研究了过渡金属原子插层的单层氧化/氢化石墨烯的磁学性质和铁电性质.在考虑了电子在位库仑作用和自旋轨道耦合作用下,得到了过渡金属Fe、Cr插层形成的C₂X₂TM二维单层膜的稳定结构以及基态磁性结构,研究了不同应变作用下C₂X₂TM的磁性、能带、铁电极化以及电子结构的变化.结果发现,对于任何应变下的C₂X₂TM其基态磁性都为手性逆时针反铁磁结构.在无应变时体系存在一个较大的离子翻转势垒,通过外加双轴应变,可有效调控体系的势垒高度和能隙,发现25%应变下C₂O₂Cr和30%应变时C₂O₂Fe单层薄膜具有与GeS等二维铁电材料相近的铁电极化和翻转势垒,这些研究结果表明C₂O₂Fe(Cr)单层薄膜是一种新型二维多铁性材料.