一項由 RMIT 領(lǐng)導(dǎo)的新研究將兩種不同類型的 2D 材料堆疊在一起，以創(chuàng)建一種提供增強(qiáng)特性的混合材料。這種混合材料具有寶貴的特性，可用于未來的存儲器和電子設(shè)備，如電視、計算機(jī)和電話。最重要的是，無需外部應(yīng)變即可控制新堆疊結(jié)構(gòu)的電子特性，為未來低能晶體管的使用開辟了道路。

結(jié)果是一種新的潛在材料用于多鐵納米器件，例如場效應(yīng)晶體管和存儲器件，與當(dāng)前的硅基電子產(chǎn)品相比，它可以使用更少的能量運(yùn)行，并且可以使電子元件更小。

原子級薄的構(gòu)建塊

這項工作使用的結(jié)構(gòu)包括兩種原子薄的材料：鐵電材料薄膜和磁性材料薄膜。(這種兩種或多種不同材料的結(jié)構(gòu)稱為“異質(zhì)結(jié)構(gòu)”。)

通過將兩種二維材料堆疊在一起，研究人員創(chuàng)造了一種“多鐵性”材料，它結(jié)合了鐵電材料和鐵磁材料的獨(dú)特特性。

鐵磁(或磁性)材料是常見的，例如具有永久、固有磁性的材料，例如鐵。在鐵磁材料中，電子自旋可以對齊形成強(qiáng)磁場(這就是它們可以被“磁化”的意思)。

鐵電材料可以被認(rèn)為是鐵磁材料的電類比，它們的永久電極化類似于磁鐵的北極和南極。

多鐵性材料只是那些表現(xiàn)出不止一種鐵質(zhì)特性(在這種情況下是鐵磁性和鐵電性)的材料。

具體來說，研究人員發(fā)現(xiàn)他們可以使用固有的鐵電特性來調(diào)整In 2 Se 3 / Fe 3 GeTe 2異質(zhì)結(jié)構(gòu)的肖特基勢壘高度，而不是使用其他系統(tǒng)所需的施加應(yīng)變。(肖特基勢壘是通過將金屬與半導(dǎo)體連接起來產(chǎn)生的能量差。)

需要能夠調(diào)整屏障的高度，才能將電流從交流 (AC) 轉(zhuǎn)換為直流 (DC)，以用于電視、計算機(jī)和其他日常電子設(shè)備中的二極管等電子元件。

由此產(chǎn)生的可切換肖特基勢壘結(jié)構(gòu)可以形成二維場效應(yīng)晶體管 (FET) 中的基本組件，該晶體管可以通過切換本征鐵電極化而不是通過施加外部應(yīng)變來操作。

無外力切換

這項工作采用了兩個二維單層的異質(zhì)結(jié)構(gòu)：In 2 Se 3和 Fe 3 GeTe 2(通常縮寫為“FGT”)，其中 In 2 Se 3是鐵電半導(dǎo)體，F(xiàn)GT 是磁性/鐵磁材料。

“我們的研究結(jié)果表明，In 2 Se 3 /FGT 提供了與其他異質(zhì)結(jié)構(gòu)相當(dāng)?shù)奶匦?，但不需要外部?yīng)變，”通訊作者 Michelle Spencer 教授說。“我們不僅可以通過這種異質(zhì)結(jié)構(gòu)控制勢壘高度，而且還可以在 n 型和 p 型肖特基勢壘之間切換。”

In 2 Se 3 /FGT異質(zhì)結(jié)構(gòu)的這種可控性和可調(diào)性可以大大拓寬其在未來低能電子器件中的器件潛力。

“我們發(fā)現(xiàn) In 2 Se 3配置之間的結(jié)構(gòu)和電子特性切換發(fā)生了顯著變化。這種變化使這種異質(zhì)結(jié)構(gòu)可用作可切換的二維肖特基二極管器件，”主要作者 Maria Javaid 博士說。

從理論到實(shí)驗(yàn)室

這一發(fā)現(xiàn)直接適用于 FLEET 對超越 CMOS 電子器件的新一代超低能耗技術(shù)的使命。

除了為多鐵性納米器件引入新的可能途徑外，該工作還將激勵該領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)者探索在未來低能電子器件中使用 In 2 Se 3 /FGT 的更多機(jī)會，例如：

合成一種新的多鐵異質(zhì)結(jié)，該異質(zhì)結(jié)能夠“調(diào)節(jié)”肖特基勢壘高度，并通過鐵電極化開關(guān)在n 型和 p 型之間切換。

探索 In 2 Se 3與其他鐵磁材料的異質(zhì)結(jié)構(gòu)。