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科研进展

我院陈剑辉博士在非铁电的有机-无机材料界面发现铁电的电滞回线

添加时间:2020-11-05 16:19:06  浏览次数:

铁电存储以电滞回线为物理基础,是一种具备尖端块写入保护功能的非易失性存储技术,是高端芯片技术的重要组成部分。因此,对新型铁电现象和铁电材料的探索研究一直备受关注:
2011年,T. Boscke等人在非钙钛矿结构的HfO2基薄膜中获得电滞回线,颠覆了传统钙钛矿陶瓷材料体系,证实了一种全新的铁电材料(Appl. Phys. Lett. 99, 112901, 2011);
2013年,Shi等人发现了金属铁电,报道了钙钛矿金属LiOsO3中的电极性晶体结构与金属态共存(Nature Materials, 12, 1024,2013);
2015年,D. Lee等人在低维SrTiO3中观察到了铁电的电滞回线(Science, 349, 1314, 2015);
2018年,Fei等人报道了二维金属WTe2中的铁电翻转(Nature 560, 336, 2018)。

近日,我院光伏课题组陈剑辉博士联合刘保亭教授课题组,在两种非铁电材料聚合物薄膜PSS和单晶硅Si的界面发现了“可翻转的界面偶极子(SIDs)”,并获得了饱和趋势良好的电滞回线(图1a)。这一结果表明:电滞回线并非铁电材料专属,两种非铁电材料的界面偶极子翻转也可以产生电滞回线。HRTEM测试表明极化翻转发生在6-8 Å的超薄界面极性微区内(图1b),这一尺寸远小于钙钛矿氧化物铁电薄膜的临界尺寸24 Å (Nature, 422, 502, 2003)。

     图2a显示了在PSS/Si有机-无机异质结体系观察到的电滞回线、极化翻转电流和电容-电压曲线。从中可以看到,电滞回线饱和趋势良好,不同于电介质漏电损耗。为了排除漏电引起的极化强度滞回,作者测试了瞬态电流,即铁电PUND测试(这一手段通常被作为铁电极化翻转的重要证据,以区分铁电与电介质介电损耗现象,见图2b)。研究结果表明PSS是一种非晶态的有机电介质,其本身并非铁电材料。为了验证这一点,作者在PSS/Si界面直接分别引入了金属Ag和Pt、半导体ITO和电介质材料SiO2,结果发现电滞回线消失(图2c),排除了PSS本身具有铁电性能的可能。进一步,既然是界面铁电,必将受到界面态密度的影响。为了证实这一点,作者在晶体硅表面制备了纳米线阵列(图2d),结果发现通过调控纳米线长度(实质是在改变PSS/Si界面比例),极化强度可被调控和改善 (图2e-f)。这一结果不仅进一步确立了界面态可以影响铁电极化,也给出了界面铁电性能优化的技术路线。实验还表明有机-无机界面电容器具有较好的极化疲劳和保持等宏观铁电特性。

      这一工作将电滞回线从单一的体材料发展到有机-无机界面,从材料学科延伸到交叉学科。从技术角度,电滞回线的获得不再需要传统钙钛矿铁电薄膜必须的高温(600-700 °C),也不需要SrTiO3、LaAlO3等氧化物衬底或是得使用阻挡层和氧化物电极才能集成在硅上,而是在室温条件下直接集成到硅。界面偶极子的形成主要是依赖于PSS分子上的磺酸集团和硅表面原子的电化学相互作用,因此不仅仅是PSS,其他磺酸基薄膜如PAMPS, PS-b-PERB, Nafion等皆有类似效果,这就形成一个获取电滞回线的新的材料体系。

       该工作以“Ferroelectric-like organic–inorganic interfaces”为题发表在[J. Mater. Chem. C, 2020, Advance Article]。光伏课题组硕士生杨林林、刘保亭课题组郭建新老师和硕士生李健为共同第一作者,陈剑辉为通讯作者。硕士生严珺、葛坤鹏、本科生蒋佳月为参与作者。该工作得到了光学工程一流学科建设经费、国家自然科学基金、河北省优秀青年科学基金和河北省自然科学基金的资助。



图1 (a) PSS/Si有机-无机杂化异质结;(b)原位、正负极化的PSS/Si界面


图2 有机-无机杂化体系的铁电特性

原文链接:https://doi.org/10.1039/D0TC03384G

 

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