随着现代电子设备对非易失性存储器需求的不断增加，传统铁电材料由于离子缺陷迁移导致的记忆窗口有限和抗疲劳性差等问题逐渐凸显。滑动铁电材料作为一种新兴的铁电机制，通过层间滑动实现极化切换，展现出更低的切换能垒和增强的抗疲劳性，为下一代可重写、抗疲劳的非易失性存储器技术提供了新的候选材料。本研究聚焦于在超薄γ-InSe中实现室温滑动铁电性，并开发出基于二维滑动铁电的高性能非易失性存储器设备。
本研究通过机械剥离法从块状晶体中制备出超薄γ-InSe薄片，并利用光学显微镜、原子力显微镜（AFM）、拉曼光谱和二次谐波生成（SHG）光谱等手段对其晶体结构和铁电性进行表征。随后，研究团队构建了两种基于γ-InSe的非易失性存储器设备：铁电场效应晶体管（FeFET）和铁电隧道结（FTJ）。FeFET采用γ-InSe作为铁电栅极层，MoS₂作为半导体沟道，通过测量其转移特性评估存储性能。FTJ则利用超薄γ-InSe层作为隧道势垒，结合非对称电极（石墨烯和钛），通过测量其输出特性评估隧道电导率（TER）比。
图1展示了γ-InSe的晶体结构、拉曼光谱、角分辨拉曼光谱、SHG强度与激发功率的关系以及压电响应力显微镜（PFM）的相位和振幅滞后回线。研究表明，γ-InSe的层间相对滑动导致面外铁电极化的产生，这种极化可以通过外部电场下的层间滑动实现反转。拉曼光谱和X射线衍射（XRD）确认了样品的γ相结构，而角分辨拉曼光谱则揭示了γ-InSe晶体的强各向异性。SHG信号的二次依赖关系进一步证实了γ-InSe的非中心对称性。PFM测量显示了清晰的180°相位对比和蝴蝶形振幅环，表明γ-InSe具有可逆的铁电畴切换能力，且其矫顽场（Ec）显著低于传统铁电材料，这归因于滑动铁电材料的降低极化切换能垒。
图2展示了基于γ-InSe的FeFET的示意图、转移特性、开关比和记忆窗口随栅极电压的变化关系，以及通道电流随开关周期和极化切换后的保持特性。FeFET采用14nm厚的γ-InSe作为铁电栅极层，MoS₂作为半导体沟道，多层六方氮化硼（hBN）作为栅极绝缘层以减少泄漏电流。测量结果显示，FeFET在±6V扫描范围内实现了6.8V的记忆窗口，开关比超过10⁴，且经过1000次开关循环后性能几乎没有退化，表明其具有优异的抗疲劳性。此外，极化切换后的通道电流在10年内仍能保持稳定，显示出其作为非易失性存储器的巨大潜力。
图3展示了基于超薄γ-InSe的FTJ的示意图、光学图像、输出特性曲线和滞后输出特性。FTJ采用4.8nm厚的γ-InSe作为隧道势垒，结合非对称电极（石墨烯和钛），利用铁电极化反转引起的势垒高度变化来调制隧道电阻。测量结果显示，FTJ在室温下实现了高达10⁵的TER比，且经过多次测量后性能保持一致，表明其具有稳定的操作性能。此外，通过改变电极材料（如镍和TiS₂），研究还发现电极的工作函数、屏蔽长度和载流子密度对FTJ性能有显著影响，这为优化FTJ性能提供了重要指导。
图4展示了Ti/γ-InSe/石墨烯FTJ在不同温度下的I-V特性、开关电流和TER比随温度的变化关系，以及极化切换后的保持特性。研究表明，随着温度的降低，高阻态（HRS）电流减小，而低阻态（LRS）电流几乎不受影响，导致TER比在低温下显著增加（超过10⁶）。这一现象归因于低温下声子辅助间接隧穿的抑制和直接隧穿的增强。此外，FTJ在极化切换后表现出优异的保持特性，进一步证实了其作为非易失性存储器的可行性。
原文链接：https://doi.org/10.1002/aelm.70313
