作者來源：江濱武，洪宇晨，楊振寧，曹君，閆曉東，凡心劉，淇濱太陽，西嶺，郭晶＆漢王

鐵電隧道結（FTJs）是一種兩端器件，中間為一層超薄鐵電層形成的隧穿勢壘，兩邊為非對稱導電層（通常為金屬或者半導體），其隧穿電阻（TER）可以通過改變鐵電層的極化方向從而改變勢壘的高度和寬度來調節。鐵電隧道結具有結構簡單，低功耗，非易失性和無破壞讀出等特點，被認為是下一代高性能存儲器的重要發展方向。

當前的鐵電隧道結都是基于兩類鐵電材料，鈣鈦礦型鐵電體（如BaTiO3和PbZr0.2Ti0.8O3）和氧化物型鐵電體（如HfO2和Hf0.5Zr0.5O2）。這兩類鐵電材料用于鐵電隧道結各有優缺點。基于鈣鈦礦型鐵電體的鐵電隧道結，在采用金屬/鐵電體/半導體三明治結構時能達到較高的隧穿電阻（約106），但是因為這種鐵電材料必須生長在特殊襯底上，其與傳統的硅工藝很難兼容，大大地影響了應用前景。基于氧化物型鐵電體的鐵電隧道結具有硅工藝兼容性，但是因為材料本身的性質和調控機理的限制，目前的隧穿電阻始終無法突破100，離實用化尚有較大的距離。另外，在這些鐵電隧道結中勢壘高度的調節是很有限的（約0.1eV），從而限制了其性能的提高。近些年來，隨著CuInP2S6（CIPS）和In2Se3等二維室溫鐵電體的發現，鐵電隧道結有了另一個新的發展方向。 近日，南加州大學Han Wang團隊（https://hanw.usc.edu/）在石墨烯/CIPS/Cr的二維范德華鐵電隧道結中實現了高達107的隧穿電阻，同時得益于單層石墨烯在狄拉克點附近很小的態密度，他們在這類范德華鐵電隧道結中觀測到了高達1 eV的勢壘高度調節。該鐵電隧道結同時兼顧了硅工藝兼容性和高隧穿電阻，有望成為未來商用的高性能鐵電存儲器。相關成果以“High tunnelling electroresistance in a ferroelectric van der Waals heterojunction via giant barrier height modulation”為題于2020年7月6日發表在Nature Electronics上。南加州大學Jiangbin Wu和Hung-Yu Chen為共同第一作者，Han Wang教授，佛羅里達大學Jing Guo教授和中科大Qibin Sun教授為該文章的共同通訊作者。該工作得到了波士頓大學Xi Ling教授和浙江理工大學Fanxin Liu教授的協助。

在實驗中，研究人員首先將單層石墨烯和CIPS以及Cr制成垂直異質結器件。CIPS的室溫鐵電性分別用壓電力顯微鏡和電容電壓響應進行了驗證。通過不同方向的電壓脈沖，CIPS的極化方向能夠被翻轉，從而獲得高達107的隧穿電阻（圖1）。器件的電流電壓特性能被基于非平衡格林函數的模擬很好的描述。如此高的隧穿電阻來源于石墨烯在狄拉克點附近很小的態密度以及范德華異質結特有的界面性質。當CIPS中的鐵電極化方向朝向石墨烯時，石墨烯為n型摻雜，此時勢壘很低，隧穿結處于開的狀態。而當CIPS中的鐵電極化方向朝向Cr時，石墨烯為p型摻雜，此時勢壘很高，隧穿結處于關的狀態。因為狄拉克點附近很小的態密度，在鐵電極化翻轉的時候，石墨烯的費米能級變化很大，也就是勢壘高度變化很大，導致了很大的隧穿電阻。通過拉曼光譜和開爾文力顯微鏡，研究人員探測到高達1 eV的勢壘高度差（圖2）。

圖1.(a)范德華鐵電隧道結的結構示意圖。(b) 范德華鐵電隧道結切面的TEM和EELS圖像。(c) 范德華鐵電隧道的開關特性。(d) 范德華鐵電隧道結開和關狀態下的電流電壓特性。 為了驗證石墨烯在這類范德華鐵電隧道結中的作用，研究人員還比較了石墨烯/CIPS/Cr鐵電隧道結和Au/CIPS/Cr鐵電隧道結中隧穿電阻的差別。在沒有采用石墨烯的Au/CIPS/Cr鐵電隧道結中隧穿電阻約為50，遠低于范德華鐵電隧道結中的107。另外，隨著石墨烯厚度的增加，范德華鐵電隧道結的隧穿電阻也逐漸減小，充分體現了單層石墨烯用于隧穿勢壘高度調節的優勢。他們還驗證了這類范德華鐵電隧道結具有高速讀寫和高讀寫耐久性的特點，以及其持久的數據保持能力，是下一代高性能非易失性存儲器的理想選擇。

圖2.(a)范德華鐵電隧道結的能帶結構示意圖。(b) 開爾文力顯微鏡探測到的范德華鐵電隧道結中石墨烯的費米能級調節。