近年來(lái)，隨著微電子學(xué)的不斷進(jìn)步，電子器件正朝著小型化、集成化的趨勢(shì)發(fā)展。在納米尺度下，表面效應(yīng)和尺寸效應(yīng)將變得不可忽略，這制約了傳統(tǒng)塊體鐵電材料在現(xiàn)代工業(yè)中的應(yīng)用。

相較而言，二維鐵電材料沒(méi)有小尺寸效應(yīng)限制，且有著穩(wěn)定自發(fā)極化，已經(jīng)成為了材料科學(xué)領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。二維鐵電半導(dǎo)體結(jié)合了二維半導(dǎo)體和鐵電性的優(yōu)點(diǎn)，在邏輯計(jì)算和非易失存儲(chǔ)兩方面均具有天然的優(yōu)勢(shì)。

一方面，二維半導(dǎo)體原子層級(jí)的厚度帶來(lái)了良好的靜電控制能力。另一方面，二維鐵電體對(duì)去極化場(chǎng)的抗擾性好于傳統(tǒng)鈣鈦礦型鐵電材料，可以真正在二維尺度上實(shí)現(xiàn)本征鐵電性。因此有利于垂直方向集成，從而實(shí)現(xiàn)信息存儲(chǔ)容量最大化。然而，二維鐵電半導(dǎo)體材料在可控合成與鐵電調(diào)控方面仍存在挑戰(zhàn)，且目前二維鐵電半導(dǎo)體的研究主要集中在n型材料，對(duì)p型材料的研究較少，p型鐵電半導(dǎo)體材料的缺失限制了高性能二維p-n結(jié)、互補(bǔ)型鐵電器件的構(gòu)筑，極大地限制了二維鐵電半導(dǎo)體在邏輯運(yùn)算、存儲(chǔ)計(jì)算等領(lǐng)域的應(yīng)用。

近日，中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心聯(lián)合香港科技大學(xué)、河北大學(xué)，采用分子束外延技術(shù)成功制備了厚度低至≈3 nm的p型BiCuSeO二維薄膜。該薄膜展現(xiàn)出了強(qiáng)的電各向異性：面內(nèi)由于Cu空位的存在，空穴導(dǎo)電，輸運(yùn)展現(xiàn)出金屬性；面外由于層間靜電力相互作用，表現(xiàn)出絕緣性，低電壓下電阻值超過(guò)10 MΩ，因此允許薄膜面外鐵電性的存在。壓電力顯微鏡證實(shí)了該材料具有室溫面外鐵電性，并展現(xiàn)出穩(wěn)定的鐵電翻轉(zhuǎn)能力。

基于密度泛函理論的分析結(jié)果，結(jié)合截面掃描透射電鏡圖像中的鐵電極化分布圖，表明[CuSe]在電場(chǎng)作用下的極性位移是BiCuSeO薄膜產(chǎn)生鐵電性的主要來(lái)源。此外，基于BiCuSeO薄膜構(gòu)筑的鐵電隧道結(jié)器件展現(xiàn)出了良好的開(kāi)關(guān)行為，該電阻切換行為可能是由于鐵電翻轉(zhuǎn)和導(dǎo)電細(xì)絲形成/切斷的共同作用。該研究首次實(shí)現(xiàn)了超薄層、可放大的p型BiCuSeO薄膜的制備，并研究了其中的室溫面外鐵電性，這種超薄室溫鐵電半導(dǎo)體可作為未來(lái)多功能電子器件的通用材料。

圖.二維P型BiCuSeO薄膜的分子束外延制備和鐵電性能研究

相關(guān)成果以“Room-Temperature Ferroelectricity in Ultra-Thin p-Type BiCuSeO Films”為題發(fā)表于Advanced Materials e10566 (2025)，河北大學(xué)來(lái)中國(guó)科學(xué)院物理研究所聯(lián)合培養(yǎng)的碩士生孔令圓和李偉為共同第一作者。中國(guó)科學(xué)院物理研究所張堅(jiān)地研究員、梁艷副研究員、陳潘副研究員和香港科技大學(xué)Runzhang Xu博士為共同通訊作者。文章的合作者還有中國(guó)科學(xué)院物理研究所的郭建東研究員、楊芳副研究員、郭陽(yáng)副研究員，以及河北大學(xué)的張威副教授。該工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金委和科技部等項(xiàng)目的資助。

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