【研究成果】磁場誘發2維MoS₂電晶體的鐵電性 開創奈米科技新發展

發表者 SPEC科學推展中心

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撰稿 / 張鳳吟 (科學推展中心特約編輯)


 

鐵電材料(ferroelectric materials)是一種特殊的介電材料,在特定溫度(居禮溫度)下存在自發極化,且極性隨著外加電場作用可被反轉。1920年美國物理學家J. Valasek從外加電場的羅謝爾鹽(Rochelle Salt)發現極化的電滯曲線,繼而開啟鐵電性研究的大門。近年來,鐵電材料成為新興的技術選項,材料的鐵電性來自晶胞的非對稱結構導致正負電荷中心分離形成電偶極,由於鐵電材料可透過外加電場控制電偶極方向,並且在切掉電源後仍保留淨的極化強度,因此非常適合應用在非揮發的記憶體元件(non-volatile memory)。


過去傳統鐵電材料的研究多著重於鈣鈦礦結構,但隨著科技快速進展,對資料儲存能力的需求與日俱增,發展小型低維的鐵電元件成為發展重點。然而,當尺寸縮小時,傳統鐵電材料的鐵電性會急遽劣化,使其奈米製程面臨眾多的困難與挑戰。近年來,科學家們正探索新材料的可能性,其中包括2維半導體「過渡金屬硫屬化物」(transition metal dichalcogenides,TMDs),近期科學家透過單層與雙層二硫化鉬(MoS2)導入鏡像對稱破壞,發現MoS2元件的鐵電性,另外也有單層凡德瓦材料獲得鐵電性的報告。


國立臺灣師範大學物理系藍彥文教授、陸亭樺教授及其臺灣團隊,與加州理工學院物理系葉乃裳教授合作,在最新發表於《先進材料》(Advanced Materials)[1]的工作中,提出MoS2獲得鐵電性的另一種可能性,該研究也被當期期刊選為Frontispiece。他們發現,在有效低溫(<20K)下,SiO2/Si基底的單層MoS2場效電晶體(ML- MoS2 FETs)可被外加垂直磁場誘發其巨大的電滯反應(圖1),並且電滯曲線大小隨著磁場增加,亦隨溫度的變化變動,這和過往研究在室溫與零磁場下的環境有著截然不同的機制。

【研究成果】磁場誘發2維MoS₂電晶體的鐵電性開創奈米科技新發展

圖1. 磁場誘發溫度1.8K的 ML-MoS2 FETs巨大的電滯反應。圖a為 ML-MoS2 FETs的配置,以SiO2/Si為基底;圖b為汲極電流\(|I_{DS}|\)相對背閘極VGS呈現的電滯曲線,其中磁場 B=9T,內圖標示無磁場的狀態作為比較。


針對這些磁場引發低溫ML- MoS2 FETs的巨大電滯現象,團隊提出可能的解釋模型如圖2:在低溫(小於居禮溫度Tc)及垂直外加磁場下,SiO2/Si上ML- MoS2發生不對稱的晶格膨脹,導致鏡像對稱破壞,而產生類鐵電性的垂直極化有序。

 
【研究成果】磁場誘發2維MoS₂電晶體的鐵電性開創奈米科技新發展

圖2. SiO2/Si上ML- MoS2在低溫(c)與外加平面外磁場下產生不對稱晶格膨脹的模型,導致鏡像對稱破壞,而產生垂直極化有序。

當溫度Tc,磁場對ML- MoS2的自旋-能谷鎖定(spin-valley lock-in)提升能谷簡併,而產生結構相變,導致晶格膨脹。利用拉曼光譜學與電子穿隧顯微鏡,實驗證明,ML- MoS2的晶格常數於有效低溫及有限磁場下增加(圖3),而這個效應在溫度超過居禮溫度時消失。另外,團隊強調堅固的SiO2/Si基板也是重要因子,ML- MoS2與SiO2/Si基底之間熱膨脹係數的不匹配,引發ML- MoS2上下硫層之間的不對稱。

 
【研究成果】磁場誘發2維MoS₂電晶體的鐵電性開創奈米科技新發展

圖3. 比較磁場B=0 T與0.5 T,(a)拉曼光譜與(b)STM影像的變化。


磁場誘發的ML- MoS2 FETs元件巨大鐵電反應展現出高度穩定性與可重複性,對未來超小型低溫非揮發記憶體、memtransistor(憶阻器與電晶體的結合)與超靈敏磁場感測器等應用具有前景。團隊也表示,非對稱晶格膨脹引發鐵電性,也可能應用到其它的單層電子元件,藉由奈米設計基板張力來達到不同2D材料的類似效應,為先進奈米科技開展新的可能性。
 


 

 

參考文獻


[1] Duxing Hao, Wen-Hao Chang, Yu-Chen Chang, Wei-Tung Liu, Sheng-Zhu Ho, Chen-Hsuan Lu, Tilo H. Yang, Naoya Kawakami, Yi-Chun Chen, Ming-Hao Liu, Chun-Liang Lin*, Ting-Hua Lu*, Yann-Wen Lan*, Nai-Chang Yeh*, Magnetic Field-Induced Polar Order in Monolayer Molybdenum Disulfide Transistors., (Adv. Mater. 52/2024). Advanced Materials, 2024, 36: 2470415.