近期，中國科學院合肥物質科學研究院固體物理研究所研究員鄭小宏課題組在二維鐵電隧道結的量子輸運研究中取得新進展，采用密度泛函理論＋非平衡格林函數方法計算了石墨烯/BiP范德瓦爾斯異質結構的二維鐵電隧道結的輸運性質，實現了623%的電致電阻比率。相關結果以Realizing giant tunneling electroresistance in two-dimensional graphene/BiP ferroelectric tunnel junction為題目發表在Nanoscale上。 

　　鐵電隧道結由于存在電致電阻效應而在非易失性存儲器中具有重要的應用潛力，目前研究最多的是利用金屬或半導體作為兩端電極，具有鈣鈦礦結構的鐵電層作為中心散射區的三維鐵電隧道結。這類隧道結中，由于兩端電極和中心區界面處的電荷累積導致的退極化效應，鐵電層不能做得太薄，這導致三維鐵電隧道結難以滿足器件尺寸最小化的要求。二維材料由于本身就只有原子層厚度，利用二維鐵電材料構造鐵電隧道結將可以極大地降低鐵電隧道結存儲器的尺寸，因此受到人們廣泛關注。理論學家已經預測了一大批二維鐵電材料，例如：第四主族硫化物（SnS, SnSe）、第五主族元素構成的類黑磷結構（BiP）以及類硅烯結構（SbN）等，甚至在實驗上已經制備出了具有垂直面內極化的二維鐵電材料In₂Se₃。然而，二維鐵電隧道結的電致電阻效應如何，是否優于三維鐵電隧道結還需深入研究。 

　　為此，鄭小宏課題組采用第一性原理密度泛函理論結合非平衡格林函數方法計算了具有二維范德瓦爾斯異質結構（石墨烯/BiP）的二維鐵電隧道結的輸運性質。結果發現，通過在左電極的石墨烯層中摻入B原子，在右電極的石墨層中摻入N原子，可以獲得623%的電致電阻比率（TER），達到了三維鐵電隧道結的電致電阻比率。根據之前的研究工作，三維鐵電隧道結的電致電阻比率大概在300%到800%范圍內。分析發現，所得的高電致電阻比率來自于左右電極顯著不同的屏蔽效應以及由此導致的鐵電反轉前后隧穿勢壘高度的重大變化。結果表明，二維鐵電材料在構造二維鐵電隧道結、實現巨電致電阻效應以及鐵電存儲方面具有重要的應用潛力。 

　　該項工作得到國家自然科學基金資助，所有計算均在中科院超算中心合肥分中心完成。 

　　論文鏈接 

　　圖1. 二維石墨烯/BiP鐵電隧道結示意圖。(a) BiP為左極化情況；(b) BiP為右極化情況。左/右電極是B/N摻雜的石墨烯/BiP范德瓦爾斯垂直異質結構，中間輸運通道是單層2D鐵電BiP。(c)和(d)分別是左電極(L)和右電極(R)的超單胞俯視圖。 

　　圖2. (a) BiP處于兩種極化方向下的透射函數；(b) TER比率隨能量的關系；(c) 費米能級處的透射函數在k空間的分布情況；(d) 兩種極化方向下散射態分布(E=0，k=0)。