單層Bi?O?Se薄膜的室溫鐵電性觀測與機理研究 | 進展

鐵電材料具有非易失性、可通過外場可逆調控的自發極化電偶極子，在易失性存儲器、換能器和非線性光學器件中展現了極大的應用潛力，超薄鐵電薄膜可以進一步小型化單個功能單元、擴大積分容量和增強器件性能。目前大多數超薄鐵電材料，包括鈣鈦礦氧化物、摻雜 HfOX、摻雜Bi2O3薄膜等，存在寬間隙、低載流子遷移率等不足，阻礙了其作為溝道材料應用于器件中。相比之下，二維鐵電材料無表面懸掛鍵、遷移率高、帶隙可調控，允許在溝道材料內部進行極化切換，為原子尺度的電子器件的應用提供了優勢。Bi2O2Se是一種n型層狀半導體，具有遷移率高（2 K遷移率高達 ~ 4.7×105cm2V-1S-1）、帶隙合適（0.8 eV），環境穩定性高等優勢，盡管Bi2O2Se中鐵電性的研究已經取得了一些初步的進展，但仍存在以下不足：一是可控制備超薄連續鐵電薄膜的可靠方法尚未建立；二是單胞層極限厚度下的鐵電穩定性尚未驗證；三是微觀機制缺乏原子尺度的實驗證據。

近日，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心聯合河北大學團隊，利用分子束外延方法制備了厚度精確可控的Bi2O2Se薄膜，薄膜由于自調制摻雜效應引入電子，引起薄膜的面內金屬性特征，室溫載流子遷移率高于300cm2V-1S-1，而由于層間弱的靜電力相互作用，薄膜面外為近絕緣性。團隊利用壓電力顯微鏡方法探測了薄膜具有面外鐵電翻轉以及良好的寫/讀疇功能，甚至當薄膜厚度減小到一個元胞時，依然可以觀測到近180°的鐵電翻轉。進一步地，基于已有密度泛函理論的分析結果，結合原位截面掃描透射電鏡，系統揭示了其鐵電極化源于Se原子在面外電場下發生面外位移形成的可翻轉偶極位移。該研究突破了二維鐵電材料的厚度極限，為原子級鐵電器件設計提供了新的材料體系；證實面內金屬與面外鐵電特性的共存，推動了多功能納米電子器件發展。

相關成果以“Room-Temperature Ferroelectricity of Bi2O2Se in the Two-Dimensional Limit”為題發表于Nano Lett. 5c04402 (2025)。河北大學來中國科學院物理研究所聯合培養的碩士生孔令圓為論文第一作者，張堅地研究員、梁艷副研究員、陳潘副研究員及河北大學張威副教授為共同通訊作者。文章的合作者還有中國科學院物理研究所的郭建東研究員、楊芳副研究員、郭陽副研究員，以及香港科技大學的Runzhang Xu博士。該工作獲國家自然科學基金委、科技部和中國科學院等項目資助。

圖：二維Bi?O?Se薄膜的室溫鐵電性與機理研究

編輯：辣條