通过在石墨烯/金属界面进行二维铁电材料插层构筑功能器件
2019年12月
在金属衬底上进行外延生长是制备大面积、高质量的石墨烯的有效方法之一，然而通过这种方式生长出的石墨烯往往与金属衬底有着较强的相互作用，导致石墨烯的电子性质遭到了一定程度的破坏，进而限制了石墨烯在电子学中的应用。在石墨烯/金属衬底界面处插入其他材料，如金属原子、硅烯等，可降低石墨烯与金属衬底之间的相互作用，使石墨烯恢复其本征性质。课题二张余洋等人利用基于密度泛函理论的第一性原理计算展开了相关研究。研究结果表明，在石墨烯/镍界面插入二维半导体材料后，石墨烯恢复其本征性质，而且石墨烯的掺杂类型和掺杂程度随插入的二维半导体材料种类的变化而变化[J. Phys.: Condens. Matter, 31, 194001 (2019)]。随后进一步探索了在石墨烯/金属界面插入二维铁电半导体所带来的效应。他们首先尝试将实验上已报到的单层二维铁电材料QL-In2Se3插入石墨烯/钌界面，但发现QL-In2Se3与钌衬底有较强的相互作用，使其铁电性质遭到了破坏。但进一步的计算结果表明，与QL-In2Se3同结构的QL-M2O3(M=Al、Y)也是稳定的二维铁电半导体，且与Ru衬底相互作用较弱。在石墨烯/钌界面插入QL-M2O3后，QL-M2O3起到了隧穿势垒的作用，其势垒宽度受其极化方向的调制。因此，石墨烯/QL-M2O3/钌异质结构中，QL-M2O3极化方向的改变会导致该结构隧穿电阻的变化，因此该结构是一种存储器件—铁电隧道结的原型器件。进一步的分析表明，在石墨烯/QL-M2O3/钌异质结中，QL-M2O3极化方向指向石墨烯时，石墨烯表现出n型掺杂，反之为p型掺杂。因此将QL-M2O3周期性极化后，异质结构中的石墨烯将形成p-n结，可用于光电探测。该工作为二维铁电材料的实际应用，及“通过在石墨烯/金属界面插入功能性材料构筑器件”这一问题提供了有价值的参考。研究成果以封面文章形式发表在Nanoscale Horizons 5, 1303 (2020)。
图二 基于石墨烯/二维铁电材料/金属异质结构的功能器件示意图