一种多功能二维滑移铁电复合元件及其制备方法和应用

本发明涉及一种铁电复合元件，具体涉及一种多功能二维滑移铁电复合元件及其制备方法和应用，属于铁电光电子。

背景技术：

1、铁电材料由于其在居里温度以下具有非易失性自发极化态、且在低外加电压下极化可切换的特点，被广泛应用于低功耗非易失性光电元件，如非易失性存储器、太阳能电池以及传感器等。此外铁电材料可以克服传统硅基元件能耗散热以及量子隧穿等问题，受到科学界的高度关注。基于目前大量数据存储的需求，现代电子学要求所有的电子元件进一步小型化，且设备尺寸正在接近几纳米甚至亚纳米。然而，在界面处由于极化电荷的非完美屏蔽而形成的退极化场会随着材料尺寸的减小而增加，传统铁电体中的极化在厚度减薄后会因退极化场的存在而不稳定甚至是消失。此外，传统铁电体中还存在界面效应，随着材料厚度的降低界面所占的比重逐渐增大，晶体中的缺陷、杂质甚至环境中的微小扰动都会导致传统铁电体极化的改变，铁电性质变差。因此传统铁电体难以满足现代电子学要求的超紧凑电子设备的需求，发展受限。

2、二维材料表面干净、无悬挂键，构建异质结时无需考虑与衬底以及材料间的晶格适配问题，大大提高了低维材料基元件的功能化集成度，在现代半导体领域具有举足轻重的作用。而二维范德华铁电材料不仅包含二维材料的优点，更为重要的是其在原子层薄量级可以对抗退极化场，实现原子层薄铁电体，因此利用二维范德华铁电材料可以简化元件设计，在设备集成方面提供了很大的灵活性，因而最近获得了越来越多的关注。此外，二维范德华铁电有稳定的自发极化、强的非线性、带隙大范围可调、非易失性存储以及独特的量子拓扑性质。尽管目前实验中已经证实了一些本征的二维铁电的存在，但由于晶格对称性以及结构稳定性的限制，使得这种本征二维铁电的种类十分有限，这大大限制了二维铁电基元件的发展。

3、目前，为了扩展二维铁电材料库，通过人工扭转或者平移二维范德华材料使其打破空间反演对称性，从而形成面外极化，通过层间的相对位移实现极化翻转，称为滑移铁电学。但目前具有中等带隙的滑移铁电材料研究较少，且功能单一，无法实现滑移铁电材料的高集成度和多功能一体化的技术要求。如何基于二维滑移铁电材料实现多功能集成元件是进一步发展二维滑移铁电所面临的重要问题。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明的第一个目的是提供一种多功能二维滑移铁电复合元件。本发明所提供的铁电复合元件以偶数层ε-inse为铁电介质层，无需外加偏压仅利用面外自发极化加速光生载流子的分离；此外，利用ε-inse中可切换的自发极化调节肖特基势垒高度形成多种非易失性电阻状态，进而同时赋予了该复合元件的近红外光电特性以及铁电存储特性，有效解决目前滑移铁电功能单一的问题。

2、本发明的第二个目的在于提供一种多功能二维滑移铁电复合元件的制备方法，该方法首先在si、sio2上通过电子束曝光出底层导电层模版，通过热蒸发沉积法制备底层导电层，再后通过机械剥离的方法制备出少层ε-inse和石墨烯，再通过室温干法转移依次堆叠少层ε-inse和石墨烯于底层导电层上方，石墨烯同时用作ε-inse的顶层接触电极，极大降低金属沉积带的破坏最大程度保留了ε-inse的物性。采用该方法所制备的垂直异质结具有结构简单易制备以及稳定性好的优点，满足现代电子学的工业生产要求。

3、本发明的第三个目的在于提供一种多功能二维滑移铁电复合元件的应用，用于制备非易失性存储器或近红外波段快速响应光电探测器。基于本发明复合元件优异的多功能特性，该复合元件可以作为非易失性存储器或近红外波段快速响应光电探测器，经测试，该复合元件所制备的光电探测器实现自供电光电探测，在近红外波段本征响应时间可至3.8ps左右，同时，该光电探测器还具有优异的非易失存储性，电流写入/擦除比可达104，可靠的耐久性超100次循环，数据稳定的保留能力超1000s。

4、为实现上述技术目的，本发明提供了一种多功能二维滑移铁电复合元件，包括：由下至上依次为基底材料、si层、sio2层、底层导电层、铁电介质层和顶层导电层；所述铁电介质层包含偶数层ε-inse，其总厚度为6.4~52nm。

5、作为一项优选的方案，所述铁电介质层为8~20层的偶数层ε-inse，厚度为6.4~16.0nm。

6、作为一项优选的方案，所述底层导电层为金属，顶层导电层为石墨烯，二者构成非对称电极。进一步优选，所述顶层导电层为单层石墨烯，厚度为0.3~0.4nm。

7、作为一项优选的方案，所述复合元件还包括位于顶层导电层的漏极和位于底层导电层的源极。

8、本发明还提供了一种多功能二维滑移铁电复合元件的制备方法，采用沉积法制备底层导电层，通过机械剥离法得到铁电介质层和顶层导电层后干法转移堆叠至底层导电层上，经退火处理，得异质结前驱体；向异质结前驱体上旋涂聚甲基丙烯酸甲酯，通过电子束曝光制作电极模板并沉积源漏电极，即得。

9、在制备得到铁电介质层后需要可在pdms支撑衬底上通过室温荧光光谱判断其奇偶层，确保所得到的铁电介质层为偶数层ε-inse，进而确保元件面外自发极化的形成。

10、作为一项优选的方案，所述退火处理的条件为：真空度为0.8×10-4pa~1.2×10-4pa，保温温度为150℃~180℃，时间为2h~3h。退火处理可以增强范德华材料间的耦合以及消除转移过程中产生的应力，确保最大程度保护材料的本征性质。

11、作为一项优选的方案，所述旋涂聚甲基丙烯酸甲酯的转速为2000~4000 r/s，所对应的厚度为450~650 nm。

12、作为一项优选的方案，所述复合元件还需经溶剂对残余的聚甲基丙烯酸甲酯进行剥离处理，所述溶剂为丙酮和/或异丙酮。

13、作为一项优选的方案，所述源极和漏极的材质为au、cr、ni、ag、pt、cu和al中的一种或两种，厚度为40~90 nm。进一步优选，所述源极和漏极为cr或au，cr的厚度为5~10nm，au的厚度为40~60nm。

14、作为一项优选的方案，所述源极和漏极采用热蒸发镀膜进行沉积，沉积速率为0.9~1.5 å/s。进一步优选，所述沉积速率0.9~1.1 å/s。在该沉积速率下可确保源漏电极与材料间具有良好的接触，沉积速率过快或过慢均会对电极的沉积有不良的影响。

15、作为一项优选的方案，所述底层导电层为金属时，其材质为au、cr、ni、ag、pt、cu和al中的一种。进一步优选，所述底层导电层为ni，其厚度为10 nm。

16、本发明还提供了一种多功能二维滑移铁电复合元件的应用，用于制备非易失性存储器或近红外波段快速响应光电探测器。

17、作为一项优选的方案，所述复合元件制备所得存储器的电流写入/擦除比为104，循环次数≥100，数据稳定保留时间≥1000 s。

18、作为一项优选的方案，所述复合元件制备所得光电探测器的激发光波长为780nm，本征响应速度为3.8ps。

19、相对于现有技术，本发明的有益技术效果为：

20、1)本发明所提供的复合元件采用偶数层二维铁电材料ε-inse作为铁电介质层，一方面利用面外对称性的打破，产生自发的面外极化，进而体光伏效应，加速电子空穴的分离，提高光电转换效率；另一方面利用二维半导体铁电材料ε-inse可以将铁电材料可通过外加电场使得极化翻转的特征实现非易失存储，该铁电介质层与半导体具有合适的带隙、载流子迁移率高等优点相结合，更有利于高密度功能化集成元件；所设计的垂直元件尺寸小，满足高密度元件集成的需要。

21、2)本发明所提供的制备方法中，铁电层ε-inse的厚度首先通过室温下荧光光谱的峰位判断其为偶数层，确保所构建的元件具备面外极化的特征，所制备的元件性能稳定，进一步的，采用干法转移，最大程度保留材料本征的性质；该方法具有操作简单、速率快和良品率高等优点，合适大规模工业化应用。

22、3)本发明所提供的技术方案中，基于本发明所提供复合元件的特性，可实现光电探测和数据存储的高度集合；通过外加电场调控铁电层的极化，进而调控与石墨烯以及金属间的肖特基势垒高度，产生了具有非易失性的开关态，电流写入/擦除比可达104，可靠的耐久性超100次循环，数据稳定的保留能力超1000 s；当该元件用作光电探测时，由于ε-inse具有铁电材料自发极化的性质，因此无需外加偏压，可实现自供电光电探测，此外在近红外波段的本征响应时间最低可至3.8 ps左右，解决近红外波段响应速度低的问题。