二维III2VI3铁电信息存储材料的墨西哥帽势能面与熵垒

　　以In2Se3为代表的二维III2-VI3化合物因在单层极限厚度下仍能保持自发铁电极化能力而被业界认为具有用于微缩铁电信息存储器的潜力。在数据存储时，该类材料的铁电极化翻转往往还伴随着铁电相与顺电相之间的结构转变。所以相变速度在很大程度上影响了该类器件的工作速度。然而，当前人们对In2Se3顺电相的细致原子图像及相变动力学过程的认识仍不够清晰，这为铁电相变的快速调控带来困难。
　　近日，吉林大学李贤斌教授小组与清华大学孙洪波教授、伦斯勒理工学院张绳百教授联合在  Applied Physics Reviews  发表研究论文＂ Mexican-hat potential energy surface in two-dimensional III2-VI3 materials and the importance of entropy barrier in ultrafast reversible ferroelectric phase change ＂，该论文通过第一性原理计算报道了二维In2Se3材料的一种赝中心对称顺电相，该相中间层Se原子呈现出墨西哥帽势能面特点，这类Se虽在时间平均上处于中心对称位置，但每时刻却偏离该位置。这种赝中心对称性为顺电相到铁电相的结构转变设置了显著的熵垒，从而阻碍了快速相变。在此认识上，研究人员进一步提出通过调控赝中心对称相中间层Se原子的面内有序性来降低熵垒，从而实现在施加面外电场下几十皮秒时间尺度的超快可逆铁电相变。该类势能面特征在二维III2-VI3材料中具有普适性。
　　图一. 铁电相（α）和理想的中心对称顺电相（β）的原子结构及声子谱。
　　图二. 顺电相中不同层Se原子的面内势能面：(a) Se(  t   or   b  )分别为上层、底层Se原子的情形：(b) Se(  m  )为中间层Se原子的情形；(c) 中间层Se原子的可能位置。
　　图三. 750K分子动力学模拟下赝中心对称顺电相的表征：(a) 20ps均方位移和能量；(b) 在7ps时刻的瞬态结构；(c) 中间层Se原子在20ps的原子轨迹和平均位置；(d-f) 上、中、下层Se原子在20ps内的分布概率。
　　图一显示出In2Se3其铁电相和理想中心对称顺电相的声子谱，该顺电相的声子谱存在显著虚频，证明其结构的不稳定性。作者进一步通过计算势能面来理解虚频产生的原因：如图二所示，中间层Se原子的势能面呈现出一种墨西哥帽的形状，而非上下两层Se原子的单势阱形状。其中，中心对称位置对应于势能面的极大值点，也就是墨西哥帽的顶端，而12个势能极小值点则散落在帽檐处。当温度为0 K时，每个中心层Se原子会等概率的位于12个极小值中的任意一个。但由于墨西哥帽势能面的帽檐十分平坦，在较高的温度下，中心层原子更倾向于在帽檐中进行无势垒的运动。从时间平均和空间平均的角度看，原子的位置仍可等效为中心对称位置，因此高温下的顺电相是一种赝中心对称相。图三的750K温度下的分子动力学模拟验证了这一观点。
　　图四. 高温驱动的铁电相到顺电相的超快相变。
　　高性能的In2Se3铁电信息存储器离不开超快的可逆铁电相变。图四说明在750K的温度下铁电相到顺电相（即α到β相）的转变可在4ps内完成。这得益于高温条件激活了一种剪切声子模式，使得不同层的原子沿着相变的路径以超快相干的方式相对滑移。然而，赝中心对称顺电相的存在却又打破了原子之间原有的相干性，为顺电相到铁电相的转变设置了很大的熵垒，从而显著阻碍了顺电相到铁电相（即β到α相）的逆向转变。这种熵垒是由于在墨西哥帽势能面下中间层Se原子的位置多样性所导致，分子动力学估算在750K下该顺电相导致的熵垒约为1.07 10-4 eV/K每单胞。当控制中间层Se原子所处的位置统一时（如实验上曾观察到的面内有序畴情形），进一步的分子动力学计算验证了施加面外电场可使顺电相到铁电相的逆向转变在几十ps时间尺度内发生。最后图五显示了墨西哥帽势能面同样适用于其它二维III2-VI3化合物。
　　图五. 九种二维III2-VI3化合物的墨西哥帽势能面特点。
　　先前受制于对顺电相原子结构认识不够全面，In2Se3数据存储器面临着写入速度慢等问题。本研究通过对顺电相进行势能面的细致分析和分子动力学模拟，揭示了二维III2-VI3铁电材料一个新物理机制。此项研究明晰了先前实验和理论上关于顺电相微观原子图像认识的争议，也为实现超快可逆铁电相变提供了调控策略。因此，该研究可能为改善铁电器件在信息存储密度、速度等方面的性能提供有益参考建议。该研究论文也被Applied Physics Review编辑部选为Featured Article。
　　该论文共同第一作者为黄宇婷博士生、陈念科讲师、李臻赜博士生。李贤斌教授带领的吉林大学计算半导体物理实验室(www.ioe-jlu.cn/csp)主持了该项研究。李贤斌教授聚焦工业界关心的半导体物理问题，采用电子结构计算方法开展调控与设计研究，主要领域为非易失性相变信息存储半导体的工作机理探索与新材料开发，他与合作者共同提出的过渡金属元素牢靠钉扎中心模型曾为国内相变存储芯片研制提供材料设计方案；近期主持完成了当前国际上最大规模的相变信息存储材料高通量计算筛选研究工作。