面向后摩尔时代存算一体芯片发展需求，二维层状铁电材料被视作破解传统存储器件性能瓶颈的重要探索方向。近日，河北工业大学高性能轧辊材料与复合成形全国重点实验室层状材料与器件团队，联合香港理工大学、香港城市大学科研人员协同攻关，在二维铁电半导体材料与忆阻器研究方面取得新进展。团队实现厘米级硒化铟薄膜堆垛结构可控生长，揭示层间原子堆叠调控材料极化行为的内在机理，并构筑铁电同质结，有效提升忆阻器关键性能。相关研究成果发表于国际学术期刊Nature Nanotechnology，河北工业大学为论文第一署名单位。

二维铁电半导体同时具备半导体特性与可翻转的自发极化，在下一代非易失性存储、神经形态电子器件领域拥有可观的应用潜力。对于层状材料而言，即便化学成分完全一致，原子层之间不同的堆叠方式，也会带来截然不同的物理性能。可在实际科研中，要在大面积薄膜制备过程里精准把控原子层的堆叠构型，并且利用堆叠差异改善器件表现，一直是横亘在该领域面前的一道难题。

“同样一种材料，原子层‘摞放’的方式不一样，材料性能便千差万别。想要在厘米尺度的薄膜上精准控制微观原子排布，工艺窗口很窄，每一个参数的细微波动，都会改变最终结果，攻关难度不小。”课题负责人郑晓东教授坦言。

图1  大面积二维β′相和α相In₂Se₃的堆垛可控合成与表征

图2  二维β′-和α-In₂Se₃的层间堆垛调控机制

瞄准这一技术痛点，科研团队创新发展化学气相沉积结合应变释放的制备策略。科研人员精细调控生长过程中的硒元素供给条件，成功制备出拥有2H、3R两种不同堆垛结构的厘米级β’-In₂Se₃薄膜，再通过应变释放工艺进一步获得对应的α相薄膜。结合实验表征与理论计算证实，硒空位能够改变不同堆垛结构的相对稳定性，为二维铁电材料堆垛结构的人工可控生长找到了可行路径。

图3  In₂Se₃中依赖于堆垛顺序的铁电性

为揭开原子堆叠与材料极化性能之间的内在联系，团队融合多种先进显微表征技术与第一性原理计算开展多维度系统解析。研究发现，堆垛构型直接左右材料极化特性：β’-In₂Se₃体系中，2H堆垛呈现反铁电特性，3R堆垛表现为顺电特征；而在α-In₂Se₃当中，3R堆垛兼具面内、面外双重极化，2H堆垛则会抑制面内极化、保留面外极化。这一结果证明，层间堆垛是调控二维本征铁电材料极化行为的关键抓手。

搞懂基础物理机制之后，团队顺势构建起由不同堆垛结构组成的铁电同质结，也就是同种材料依靠不同原子堆叠形成的功能界面。借助高分辨显微技术，科研人员在原子尺度解析了同质结界面的电场、电势分布，厘清极化方向对界面势垒和能带排列的调控作用，为理解材料内部载流子输运机制取得了直接实验证据。

图4  异堆垛铁电同质结及其忆阻器性能

器件测试显示，基于该同质结制备的忆阻器，平均电流开关比达到约2.6×10⁴，相较单一堆垛结构的器件性能提升约一个数量级，同时极化翻转电压更低。开关比是存储器件的核心指标，代表器件区分存储信号“0”与“1”的能力。实验表明，利用堆垛工程调控界面势垒，可以显著增强器件阻态区分能力，为研发高性能铁电存储器件提供了全新的材料设计思路。

这项研究贯通了二维铁电材料大面积可控制备、原子尺度机理解析、器件性能验证完整研究链条，为依靠堆垛工程设计二维功能材料开辟出新路径，也为非易失性存储、神经形态电子器件的后续研发打下基础。该项目得到国家自然科学基金、国家重点研发计划等国家级项目，以及河北省、香港地区相关科研基金支持，依托河北工业大学全国重点实验室科研平台完成，是内地与香港科研力量跨地域协同创新的一次实践。

研究人员同时表示，该成果目前仍属于实验室基础前沿探索，距离存储器件产业化落地，还需要攻克器件稳定性、工艺兼容等一系列现实难题，后续仍有大量工作有待推进。

文图/眭思密 审核/郑士建