近日，中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所計(jì)算物理與量子材料研究部研究員鄭小宏課題組在基于二維鐵電材料的鐵電隧道結(jié)研究方面取得新進(jìn)展，通過(guò)密度泛函理論和非平衡格林函數(shù)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，在金屬Au(010)與二維鐵電材料In2Se3接觸的體系中，鐵電材料的鐵電性仍然存在，且由其構(gòu)建的鐵電隧道結(jié)達(dá)到約104%的巨電致電阻比率。相關(guān)研究結(jié)果以Giant tunnel electroresistance in ferroelectric tunnel junctions with metal contacts to two-dimensional ferroelectric materials為題，發(fā)表在Physical Review B上。

二維（2D）鐵電材料及由其構(gòu)建的鐵電隧道結(jié)在非易失性存儲(chǔ)器件中具有的廣泛應(yīng)用，因而引起關(guān)注。只有原子層厚度的純二維鐵電隧道結(jié)已被證明具有較高的隧穿電致電阻比率。為了更好地與目前的半導(dǎo)體技術(shù)相結(jié)合，在采用2D鐵電材料構(gòu)建鐵電隧道結(jié)時(shí)，考慮其與金屬電極的接觸情況非常重要。然而，由于傳統(tǒng)金屬與2D鐵電材料之間的相互作用復(fù)雜，尚不清楚當(dāng)2D鐵電材料與金屬接觸時(shí)，其鐵電性是否仍存在，相應(yīng)的鐵電隧道結(jié)是否按照存儲(chǔ)器件的要求表現(xiàn)出高的隧穿電致電阻效應(yīng)。

鄭小宏課題組采用頂部接觸的Au(010)和垂直面外極化的2D鐵電材料In2Se3構(gòu)建了金屬與二維材料接觸的鐵電隧道結(jié)。通過(guò)密度泛函理論和非平衡格林函數(shù)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，與金屬接觸的鐵電材料的鐵電性仍然存在，而且由其構(gòu)建的鐵電隧道結(jié)的隧穿電致電阻比率高達(dá)104%。這是由于隨著鐵電極化的反轉(zhuǎn)，金屬與2D鐵電材料之間的界面由肖特基型接觸向歐姆型接觸轉(zhuǎn)變。此外，研究還發(fā)現(xiàn)Au(010)與In2Se3之間的隧道勢(shì)壘高度為零，說(shuō)明接觸電阻低，具有良好的金屬向半導(dǎo)體注入電子的能力。研究表明，通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)慕饘俨牧?，可以基?D鐵電材料和金屬接觸構(gòu)建具有良好性能的鐵電隧道結(jié)。

研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金的支持，所有計(jì)算均在中科院超算中心合肥分中心完成。

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圖1.鐵電隧道結(jié)的結(jié)構(gòu)。虛線框區(qū)域?yàn)锳u(010)/In2Se3接觸電極，中間部分為In2Se3散射區(qū)；紅色箭頭表示電子從Au注入到In2Se3的過(guò)程，藍(lán)色箭頭表示電子從左電極進(jìn)入散射區(qū)的過(guò)程

圖2.（a）兩種極化狀態(tài)情況下的透射函數(shù)；（b） 隧穿電致電阻比率隨電子能量的變化