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　　【仪表网 研发快讯】近日，南京大学团队在自支撑铁电薄膜中实现了超低压强(0.06 GPa)下铁电极化的力场调控，并通过与二维半导体的结合实现了可兼容力和电擦写的铁电场效应原型器件。
 

　　近年来，自支撑氧化物薄膜剥离转移技术的日渐成熟为实现功能氧化物/二维半导体的非外延异质集成，探索新型高性能电子器件带来了新的思路。例如，将自支撑铁电薄膜与MoS2等二维材料进行堆叠，可在硅单晶等半导体片上构筑铁电场效应器件。同时，由于自支撑薄膜不受衬底的刚性束缚，能够实现远超块体和外延薄膜中所能达到的应变梯度，通过挠曲电效应，有望实现兼容力、电擦写的新型二维场效应器件。
 

　　如图1所示，该工作利用自支撑薄膜可自由形变的特性，结合柔性金属底层电极的创新设计，实现了超低压强下的极化翻转调控。与受衬底上束缚的外延薄膜相比，自支撑薄膜允许更自由的晶格畸变，有更多可供选择的极化翻转路径，从而有效降低了铁电极化翻转的势垒。以自支撑PbTiO3(PTO)薄膜为例，理论计算表明，若允许面内晶格常数发生变化，可显著降低面外极化180度翻转的能垒；若极化能通过90度旋转作为中间态，能垒将进一步大幅降低。铁电极化的翻转可以在外加电场和挠曲电场的驱动下发生，其中挠曲电效应是指材料中由于应变梯度导致的极化现象。选择杨氏模量较低的金属作为基底，可以在自支撑薄膜中产生更大的应变梯度，从而产生更大的挠曲电场。因此，结合自支撑薄膜自由形变显著降低势垒的特性，并通过柔性基底获得更大的挠曲电场，可在自支撑薄膜中实现对铁电畴结构的高效力场调控。
 

图1. 自支撑铁电薄膜中力场调控极化翻转的设计
 

　　该团队借助氧化物分子束外延技术制备出高质量自支撑PTO薄膜，并将其转移至不同基底上，以探究在电场和力场作用下铁电畴结构的可逆擦写特性(图2)。实验对比显示，衬底的束缚以及基底的杨氏模量对自支撑PTO薄膜中极化翻转的阈值压强有显著的影响：基底越软，所需的阈值压强越低，与理论计算相吻合。在厚度为8 nm的自支撑PTO薄膜中，实现了超低压强(0.06 GPa)下力场驱动的极化翻转，是目前报道的最低值。
 

　　图2. 自支撑PbTiO3薄膜中实现了超低压强(0.06 GPa)下铁电畴的力场调控
 

　　进一步，该研究团队还将自支撑PTO薄膜与二维材料MoS2进行异质堆叠，以PTO作为栅介质层，MoS2为沟道材料，金作为背栅电极，构建了铁电场效应晶体管(图3)。通过应力在PTO层薄膜中诱导挠曲电场，实现了铁电极化的翻转以调控MoS2的输运性质，成功实现了兼容电场和力场调控的场效应器件。
 

图3.可兼容力和电擦写的非易失性铁电场效应原型器件
 

　　本工作利用自支撑薄膜可自由形变显著降低极化翻转势垒的特性，并通过柔性基底获得更大的挠曲电场，实现了超低压强(0.06 GPa)下铁电畴的力场调控。此外，通过与二维材料进行异质堆叠在硅基片上集成了可兼容力、电擦写的非易失性铁电场效应器件，展示了自支撑氧化物薄膜在新型高性能器件方面的应用前景。
 

　　相关成果以“Ultralow-pressure-driven polarization switching in ferroelectric membranes”为题发表在Nature Communications期刊上。南京大学现代工程与应用科学学院杨昕瑞博士、韩露博士、南京大学电子科学与工程学院宁宏凯博士、北京理工大学宇航学院博士生许少庆以及南京大学现代工程与应用科学学院博士生浩波为该论文的共同第一作者，聂越峰教授、王欣然教授以及韩露博士为论文的共同通讯作者。南京大学吴迪教授、施毅教授、周健教授、北京理工大学洪家旺教授对本工作给予了重要指导。该工作得到了国家自然科学基金、科技部国家重点基础研究发展计划、教育部“长江学者奖励计划”、北京市自然科学基金以及博士后创新人才支持计划、博士后面上项目、南京大学“小米青年学者”等项目的资助；此外，南京大学固体微结构物理国家重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心、江苏省功能材料设计原理与应用技术重点实验室以及重庆超算中心对该项研究工作给予了重要支持。