0 1引言

鐵電性是電偶極子自發(fā)排列導致的集體極化現象，可通過外部電場切換。鐵電場效應晶體管（FeFET）被認為是下一代非易失性存儲器的理想選擇，具有非破壞性讀取和快速重寫的特性，通過雙穩(wěn)態(tài)鐵電極化實現非易失性功能。近年來， 二維鐵電性引起廣泛研究興趣，已實驗證實了一些具有本征鐵電性的二維范德華（vdW）層狀材料，如 CuInP2S6、IV-VI 族化合物（如 SnTe、SnSe 和 SnS）、In2Se3 和 Bi2O2Se，這些二維 vdW 鐵電體的自發(fā)極化源于單層中的非中心對稱結構。另一方面，二維層狀材料間的 vdW 相互作用較弱，層間滑動相對容易，破壞中心對稱性，導致垂直鐵電性的出現。然而，雙層或多層系統(tǒng)中的層間滑動鐵電性通常表現為面外（OOP）極化，缺乏面內（IP）極化，并且極化場遠小于單層的本征鐵電非中心對稱結構。近年來，對具有各種對稱結構的二維材料進行鐵電性探索的努力不僅擴大了鐵電材料家族，還闡明了二維鐵電性的機制。GaSe 因其獨特的物理性質備受關注，關于其鐵電性，雖然理論上預測雙層或多層 GaSe 中可能存在層間滑動引發(fā)的垂直極化，但目前還沒有實驗證實單層或多層 GaSe 的鐵電性。

0 2成果簡介

在這項研究中，使用機械剝離和分子束外延（MBE）技術制備了少層 γ-GaSe。通過對 X 射線光電子能譜（XPS）、X 射線衍射（XRD）、拉曼光譜和二次諧波產生（SHG）進行綜合測量，驗證了 GaSe 的晶體結構。利用壓電響應力顯微鏡（PFM），我們揭示了室溫下多層甚至單層 GaSe 中相互關聯的面外（OOP）和面內（IP）鐵電性。高角度環(huán)形暗場掃描透射電子顯微鏡（HAADF-STEM）和密度泛函理論（DFT）計算揭示了單層 GaSe 中 Se 亞層的層內滑動，這破壞了單層結構的鏡像對稱性從而導致鐵電性。此外，我們制造了一種基于 GaSe 納米薄片作為通道材料的 FeFET 器件，該器件表現出電壓可調的鐵電開關行為和高通道電流開關比，進一步證明了 GaSe 中的面內和面外極化。FeFET 器件表現出可逆極化并且不會失去非易失性鐵電存儲器的特性。我們的研究表明，在具有層內滑動的二維材料中，鐵電性可以顯著存在，并展示了基于二維鐵電的存儲設備的應用。

0 3圖文導讀

圖 1γ-GaSe的晶體結構和表征 （a）γ-GaSe結構的俯視圖和側視圖;（b）γ-GaSe 納米片的拉曼光譜;（c）γ-GaSe晶體的 XRD圖譜和相應的 XRD標準卡;（d）、（e） γ-GaSe納米片上 Ga3d和 Se3d核軌道峰的 XPS光譜

圖2γ-GaSe的 HAADF-STEM圖像和 SHG信號 (a) 、 (b)γ-GaSe沿 [001] 的HAADF-STEM圖像和相應的 SAED衍射圖案；(c) 、(d)γ-GaSe沿[100] 的 HAADF-STEM 圖像和相應的 SAED衍射圖案；(e)γ-GaSe納米片在不同激發(fā)功率下產生的 SHG光譜；( f) 極化角度 θ相關的 SHG強度

圖 3通過 PFM 在 γ-GaSe 納米片上進行鐵電極化切換 (a) 具有 14nm 厚度的剝離γ-GaSe 納米片的原子力顯微鏡（AFM ）形貌；(b) 在 GaSe 納米片上進行的局部SS-PFM；(c)-( f) GaSe 納米片的 PFM OOP 振幅（c）、OOP相位（d）、IP 振幅（e）和 IP 相位（f）圖像；( g) 生長在 HOPG 襯底上的單層 GaSe 的 AFM 形貌；(h)、( i)分別為單層 GaSe 和 HOPG 襯底中進行的局部 SS-PFM

圖 4GaSe鐵電性的理論計算 (a)-(c) GaSe的畸變 Q相（a）、非畸變 H相（b） 和畸變 Q’相（c）的 a–cSTEM圖像; (d) Q、H和 Q’相 GaSe單層的幾何結構; (e) GaSe 單層中上層和下層之間的差分電荷密度（等值面 0.0025e/Bohr^3，左圖）及相應的平面平均差分電荷密度（右圖）;（f）單層中 Q 相沿 z方向的局部電勢;（g）OOP（藍色點）極化隨著 Se 原子位移的變化，零位移定義為 H 相; ( h) 在雙層 GaSe 中頂層 Q 相和其余層之間的差分電荷密度（等值面 0.0001 e/Bohr^3，左圖）及相應的平面平均差分電荷密度（右圖）;（i）雙層 GaSe 中 Q 相沿 z 方向的局部電勢

圖 5GaSe-FeFET 器件的非易失性存儲器應用 (a)、(b) 分別為裝置的示意圖和光學顯微鏡圖像;（c）GaSe-FeFET 器件的 KPFM 圖像;（d）GaSe 納米片在不同 VDS（5 ， 10V）下的傳輸特性曲線 IDS–VGS;（e）輸出曲線 IDS– VDS 在不同掃描最大VDS 下的滯回曲線;（f） 滯回輸出曲線 IDS–VDS 通過施加從 80 V 到?80 V 的柵極電壓表現出柵極可調諧效應;（g）脈沖柵極電壓偏置極化（±80 V）后調節(jié)可切換二極管效應；（h）、（i）通過應用周期脈沖通道偏置或柵壓，對 GaSe-FeFET 憶阻器進行電阻切換

0 4小結 本文利用鴻之微RESCU軟件，通過實驗表征和理論計算，明確證明了 GaSe 具有二維鐵電性，甚至在單層情況下也存在。單層具有鏡像對稱結構的 GaSe 展現了面內（IP）和面外（OOP）鐵電性，其起源于 Se 原子亞層的層內滑動。強烈的極化強度進一步證實了層內滑動在多層 GaSe 的鐵電性中起主要作用。我們發(fā)現 GaSe 中的 IP 和 OOP 鐵電極化相互關聯，并可以通過施加通道或柵極偏置來反轉。在GaSe-FET 憶阻器中，鐵電電阻開關表現出高的 LRS/HRS 比和可逆性。我們的研究不僅擴展了二維鐵電材料的基本物理機制，還為鐵電非易失性器件的實際應用提供了新的選擇。