近日，我院姜昱丞副教授課題組在異質結的類鐵電特性研究方面取得突破，通過構建具有近一維界面的垂直側壁範德華電子氣異質結（Black phosphorus/Quasi-two dimensional electron gas），在非鐵電材料體系中觀察到了類似鐵電的物理特性，包括電滞回線、非易失性阻變、PUND電流、熱釋電等。通過構建理論模型，讨論了長壽命非平衡載流子對異質結空間電荷區重構的重要作用，發現界面非易失性極化可以表現出與傳統鐵電相同的物理規律，從而揭示了其類鐵電行為的物理本質。相關研究成果以“Observation of Electric Hysteresis, Polarization Oscillation, and Pyroelectricity in Nonferroelectric p-n Heterojunctions”為題發表在《Physical Review Letters》期刊上（Phys. Rev. Lett. 130, 196801，2023），DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.196801。
電極化的非易失性改變廣泛報道于鐵電材料。基于電偶極子的有序排列，鐵電體可表現出自發電極化，并且通過施加外部電場現電極化翻轉。非中心對稱結構是實現鐵電性的關鍵。為了實現這一目标，許多方法被采用來打破晶體的中心對稱結構，如晶格扭曲、層間滑動、應變和摻雜等。與鐵電體中的體極化相比，PN異質結構中的界面電極化取決于空間電荷的分布，而不是電偶極子。通常，由于主要載流子的完全耗盡，在界面處感應出空間電荷區（SCR）。基于具有恒定界面電極化的SCR，PN異質結構中的界面産生了許多特别的物理特性，如整流、光電效應、電緻發光等。通過載流子的注入改變SCR的寬度，引起内建電勢的改變，可短暫地表現出類似電極化翻轉的性質。但是，由于載流子的壽命的限制，在移除外加電場後，界面會很快恢複至本征内建電勢，導緻内建電勢的改變是易失性的。為了實現内置電勢的非易失性改變，合理的策略是通過偏置電壓誘發長壽命的非平衡載流子（non-equilibrium carriers, NECs）填充SCR。這會引起SCR的重構，而長壽命的NECs不會立即複合，最終會導緻非易失性界面極化改變的出現。
研究團隊使用Ar+離子轟擊輔助方法在SrTiO3（STO）構建了具有準一維界面黑磷（BP）和準二維電子氣（Q2DEG）範德華（vdW）異質結。準一維結可以約束自由載流子的漂移和擴散過程，從而減少非平衡載流子的複合，極大延長了非平衡載流子的壽命，使得内建電勢的改變具有非易失特性。内建電勢對外部電場的非易失性依賴會産生界面極化的遲滞效應。如圖1，結電阻表現出對外置偏壓的滞後依賴性，高阻/低阻比值達到100，該特性類似于鐵電隧道結的電阻遲滞行為。
圖1：（a）BP-Q2DEG異質結構的結構示意圖。（b）原子顯微鏡圖像，顯示異質結的表面形貌。插圖：異質結的顯微鏡照片。（c）在300 K時，−3–3 V的偏置範圍内測量的電流-電壓回線。插圖：半對數電流-電壓回線。箭頭顯示了電壓變化的方向。（d）結電阻與寫入電壓Vwrite之間的依賴關系，Vread = 0.2 V，其中Vwrite是用1 s的脈沖寬度驅動器件的脈沖電壓。Vwrite和Vread之間的等待時間為30 s。（e）在0、−5和5 V的Vwrite脈沖之後，在0–2 V的偏置範圍内電流-電壓曲線。箭頭标記開啟電壓。
該異質結的類鐵電效應中電極化的改變是通過SCR的重構來實現，機理不同于鐵電中電偶極子的反轉。然而，不同的物理過程導緻相似的電極化改變結果，從而導緻相似的鐵電行為。BP-Q2DEG異質結中的電阻遲滞行為和PUND測試展現異質結的類鐵電特性，見圖2。未複合的NECs可導緻BP-Q2DEG界面極化發生非易失性改變，通過測量不同外界偏壓下的内建電勢，得到相應的遲滞曲線，并量化了偏壓和内建電勢之間的函數關系。BP-Q2DEG異質結在300 K溫度下可觀察到明顯的PUND電流，并在-0.35 V達到峰值。上述物理過程進一步佐證了BP-Q2DEG異質結具有類鐵電特性。
圖2：（a） 顯示正常和類鐵電異質結的内置電勢對偏置電壓的依賴性的示意圖。（b）在300K下的Vbi偏置遲滞回線，表現出非易失性電極化。（c） 通過PUND方法檢測到的位移電流。電壓脈沖的間隔時間為0.2s。PUND電流的二階導數（d2I=dV2）如左上和右下所示，以排除背景電流的影響。
進一步探究BP-Q2DEG異質結的鐵電性質，發現異質結的熱釋電現象，見圖3。将溫度從100 K升至300 K過程中，觀測到明顯的熱釋電電流，該電流的大小表明了異質結界面極化程度的不同。該異質結的熱釋電顯示出與鐵電機制不同的行為，其熱釋電溫度随着極化電壓的增加而減小，而對于一般的鐵電體，其熱釋電溫度一般與其鐵電相變溫度相關，而不取決于電極化度強度。這意味異質結中的類鐵電特性既與普通鐵電有着諸多相似之處，又在鐵電行為的細節上有所不同。
圖3：（a） 在施加不同的極化電壓後，從100到 300 K加熱時的熱釋電響應。電極化是通過在0–2 V的偏壓範圍内将異質結冷卻到100 K來實現。（b） 在1和2 V的偏置電壓下，結電阻與溫度之間的函數關系，其中溫度下先降到100 K，然後上升到300 K。（c）在不同溫度下的PUND響應。（d） PUND電流的溫度依賴性，顯示了第一和第二類鐵電轉變溫度。
