面向新一代存储计算的二维铁电半导体

存算一体化是后摩尔时代突破性能与功耗瓶颈的一个潜在发展方向。近年来兴起的二维铁电半导体由于兼具非易失性铁电极化和半导体特性,适合用于存算一体器件,因此在短短几年内迅速成为研究热点。本文作为“先进算力技术”的第一篇,介绍了存算一体化的历史背景、二维铁电半导体的物理图像以及典型器件的作用机制。本文不仅可以作为未来计算技术领域的一般性了解,本文附录给出的PPT课件也可以作为大学物理等课程中“电磁学”相关篇章的有益补充。

二维铁电材料在物理化学领域的应用研究进展

近年来,我国物理化学领域发展的过程中,二维铁电材料受到广泛的应用,为准确进行二维铁电材料在物理化学领域中应用的情况,文章主要分析二维铁电材料在物理领域和化学领域中的应用,旨在为增强材料的应用效果提供帮助。

二维铁电开关的Orihara-Ishibashi理论的精确解

将Orihara Ishibashi铁电体统计理论用于二维正方形铁电薄膜 ,求出正方形铁电畴反转过程的体积比Q(t)和反转速率dQ/dt的解析表达式 ,并作了数值计算。结果表明 ,最大开关电流随系统尺寸l增大而上升 ,开关时间在系统尺寸l<0 .95时随l减小而下降 ,l>0 .

二维铁电材料调控下的石墨烯超灵敏太赫兹探测器

石墨烯具有缺陷密度低、易大面积转移,载流子迁移率高等优异特性,但石墨烯具有的零带隙能带结构导致光生载流子寿命不高,制约了其在高灵敏光电探测器的应用。本工作中利用铁电材料CuInP_(2)S_(6)(CIPS)做顶栅来调控石墨烯的光电特性,探索了提升石墨烯太赫兹探测器灵敏度的可能性,研究了基于铁电调控下的石墨烯光热电效应和等离子体波自混频效应的探测机理,得到了高性能的石墨烯太赫兹探测器。在40 mV的偏置电压和2.12 V的栅压下,该器件在0.12 THz波段辐射下达到了0.5 A/W的响应率,响应时间为1.67μs,噪声等效功率为0.81nW/Hz^(1/2)。在0.29 THz波段辐射下仍达到了0.12 A/W的响应率,且噪声等效功率为1.78 nW/Hz^(1/2)。该工作展示了二维铁电异质结构在太赫兹波段中的巨大应用前景。

二维铁电材料的研究进展

铁电材料是一类具有优异的铁电、压电及热释电等性能的功能材料,有着很高的研究价值.随着科学技术的发展,对器件尺寸、功耗提出了更高的要求,微型化、集成化成为目前铁电材料的一大发展趋势.传统铁电材料由于尺寸效应、表面效应等因素制约了其在纳米尺度下的应用,如何解决这一问题成为当下的研究热点之一,其中寻找具有铁电性的二维材料是可能的解决方案.该文综述了近年来研究者们关于二维铁电材料的探索,介绍了二维铁电材料的独特优势,解释了二维材料铁电性的来源以及调控,最后对该领域今后的发展提出了展望.

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。

二维铁电材料的理论研究进展

对铁电材料的性质和应用的研究已成为材料科学和凝聚态物理领域热门的研究课题之一.搜寻和设计结构稳定性好、居里温度高的二维铁电材料可以克服传统钙钛矿型铁电材料在尺度降低时电极化退化的缺点,有利于在技术上实现铁电元器件的小型化、集成化.由于实验上制备出来的二维铁电材料比较少,本文重点介绍以第一性原理计算方法为主要手段在二维铁电材料方面取得的最新理论研究成果.首先介绍近年来预测的面内极化型和垂直极化型的二维本征铁电材料.然后介绍理论上提出的在二维材料中引入铁电性或者增强铁电稳定性的各种方法,包括表面吸附、插层原子、外加应变、电场和选择合适的衬底等.最后对二维铁电材料理论研究中存在的问题和未来的研究方向进行讨论.

二维铁电材料的第一性原理研究进展

由于二维铁电体固有的尺寸和表面效应,其铁电性能与传统的块状铁电体有较大的不同。到目前为止,二维铁电体已被报道具有多种性质,包括体光电效应、压电/热释电效应、谷极化和自旋极化。这些性质或依赖于铁电极化,或与之耦合以便于电学控制,从而使二维铁电体适用于多功能纳米器件。目前,二维铁电体在理论、实验和应用方面的研究正在不断积累。文中简要介绍了采用第一性原理研究二维铁电材料的理论和方法,并分别总结了二维铁电性的本征与非本征起源,最后讨论了二维铁电体存在的问题及发展前景。

二维本征铁电体及其多铁耦合的研究进展

铁电材料因其具有可被外场调控的电极化状态,以及在传感器、光电器件和信息存储器件中具有潜在应用前景,所以一直以来都是凝聚态物理领域的研究热点.随着微电子集成技术的飞速发展,电子器件日益趋于微型化、集成化和多功能化.传统块体铁电材料因受尺寸效应、界面效应等因素影响,难以满足此发展需求,因而低维铁电材料引起了学术界的广泛关注.近年来,实验上已成功制备出稳定的室温二维铁电材料,第一性原理计算等理论方法对新材料的预测和设计也促进了二维铁电材料的发展.同时,利用二维铁电性与铁谷性、磁性的多铁耦合效应,可以实现电控谷极化、电控磁性等调控机制.多重自由度的相互耦合,会产生如能谷间圆(线)偏振光学选择性、量子自旋霍尔效应等奇异物理特性,对于自旋电子学、谷电子学及光学的发展具有重大的意义.本文首先介绍近年来新型二维铁电材料在理论和实验方面的研究进展,以及二维铁电材料在铁电隧道结、铁电二极管等二维铁电器件中的应用.其次阐述了二维电控铁谷性和电控磁性的多铁耦合效应及其衍生出的新物理现象和机制.最后对二维铁电材料和其他物理性质耦合所具有的丰富物理内涵和广阔应用前景,进行了分析与探讨.

Cu(111)衬底上单层铁电GeS薄膜的原子和电子结构研究

二维铁电材料因具有自发极化特性,在铁电场效应晶体管、非易失性存储器和传感器中具有广泛的技术和器件应用.特别是第Ⅳ主族单硫属化合物具有最高的理论预测热电特性和本征的面内铁电极化特性,适合作为探索二维铁电极化特性的模型材料.然而,由于相对大的解理能,目前不容易获得高质量和大尺寸单层第Ⅳ主族单硫属化合物,严重阻碍了这些材料应用到快速发展的二维材料及其异质结研究中.本文采用分子束外延方法在Cu(111)衬底上成功制备单层GeS.通过高分辨扫描隧道显微镜,原位X射线光电子能谱和角分辨光电子能谱以及密度泛函理论计算,对单层GeS原子晶格和电子能带结构进行了系统表征.研究结果表明:单层GeS具有正交晶格结构和近似平带的电子能带结构.单层GeS的成功制备和表征使得制备高质量和大尺寸单层第Ⅳ主族单硫属化合物成为可能,有利于该主族材料应用到快速发展的二维铁电材料以及异质结研究中.

过渡金属硫族磷酸盐的两维铁电性研究进展

近期在过渡金属硫族磷酸盐块材中发现了室温下较大的自发极化,由此引起了人们对该类材料超薄膜中二维铁电性的研究,这主要包括二维铁电性的实现方案和稳定性,以及由过渡金属硫族磷酸盐薄膜与二维半导体薄膜组成的范德瓦尔斯异质结器件的研究。笔者对近几年针对该领域的主要研究进展作了综述,包括课题组在此方向的相关研究。针对二维铁电性材料的探索,无论是在凝聚态物理领域还是在材料科学领域,都是非常有意义的理论研究和应用研究方向。

柔性无机铁电薄膜的制备及其在存储器领域应用研究进展

与传统硅基电子相比,柔性电子因其独特的便携性、折叠卷曲性和生物相容性被广泛研究。柔性存储器作为柔性电子重要分支,在可穿戴设备、智慧医疗、电子皮肤等领域展现出良好的应用前景。同时随着5G、人工智能、物联网等新一代信息技术深入应用,市场对高密度、非易失、超低功耗柔性存储器的需求持续释放,催生了柔性铁电存储器件的研究热潮。本文综述了近年来柔性无机铁电薄膜的制备及其在存储器领域应用进展。首先介绍了柔性铁电薄膜制造技术的发展情况,包括柔性基板上的范德瓦耳斯异质外延、刚性基板上的化学蚀刻分层、新型二维(2D)铁电材料生长等,然后介绍了基于无机铁电薄膜的柔性存储器的研究进展,最后对柔性铁电存储器的未来发展进行了展望。

新型低维铁电材料及其器件

低维铁电薄膜是一种得到广泛研究的铁电存储器的核心材料,其利用自发极化这一本征特性来实现信息存储.铁电材料的极化方向在外加电场作用下以超快速度进行切换,切换后的电畴具有保持特性.利用该原理的新型存储技术可以实现高速、低功耗、非破坏性读取以及超高密度存储.传统铁电材料受到临界尺寸限制,即随厚度减薄到极限尺寸后材料失去铁电特性,为此发展了大量的新型二维铁电薄膜,突破了以上临界尺寸的限制,为未来集成通用存储器带来了希望.该文综述了铁电材料相关背景及研究理论;报道了低维铁电钙钛矿薄膜畴壁电流相关研究以及基于第一性原理的二维铁电材料理论研究和实验论证;阐述了基于这些新型低维铁电材料的铁电畴壁存储器,基于氧化铪的铁电场效应晶体管,以及铁电二极管的工作原理;总结了低维铁电材料及其器件这一崭新领域目前所面临的挑战,以及对未来进行了展望.