近日，华东师大精密光谱科学与技术国家重点实验室袁翔课题组与复旦大学张成课题组、徐长松课题组合作，在电荷密度波拓扑半金属体系 (TaSe4)2I观察到室温条件下的铁电极化，并成功制备成界面忆阻器件。相关成果以Memristive switching in the surface of a charge‑density‑wave topological semimetal为题于2024年5月17日在Science Bulletin期刊在线发表。
拓扑材料因其独特的电子结构和性质被认为在低耗散电子器件、自旋电子学以及量子计算等领域具有较大的应用潜力。铁电性是一种材料的极化状态可以被外部电场调控的性质，这种特性使得铁电材料在存储和逻辑器件中得到广泛应用。在拓扑材料引入铁电性可以实现非易失性的电子态调控，有助于其在电子器件的应用推广，长久以来被科研人员所广泛关注。然而，由于自由电子的屏蔽效应，铁电性与金属性通常是不相容的，目前仅有极少数拓扑材料，如SnTe和WTe2等体系在极为苛刻的条件下才能出现铁电性。
在本工作中，研究团队在准一维拓扑半金属材料(TaSe4)2I中观察到了室温界面铁电性，并基于这一性质成功制备了(TaSe4)2I-金属的界面忆阻器件。在实验方面，通过微纳加工技术，研究团队基于(TaSe4)2I晶体制备了多端口的忆阻器件。器件开关比高达103，开关次数超过103，并具备较好的耐久性。第一性原理计算结果表明，这种铁电性来源于(TaSe4)2I表面碘离子的移动。当对(TaSe4)2I施加外部电场时，碘离子在电场作用下发生位移，有效地打破了中心对称性，使得(TaSe4)2I材料表面具有铁电性。铁电极化方向的切换能有效调节(TaSe4)2I–金属接触界面形成的肖特基势垒高度，从而实现高达三个数量级的界面电阻调控。
图1 外电场调控(TaSe4)2I–金属接触处形成的肖特基势垒的高度
图2 室温下(TaSe4)2I具有面外铁电性及电流–电压曲线
本工作由华东师范大学袁翔课题组、复旦大学张成课题组和复旦大学徐长松课题组合作完成。研究得到了华东师范大学段纯刚、田博博、杨振中和复旦大学周鹏、刘春森、石武、向都，以及东南大学苗霖等多位老师的大力支持和帮助。该工作获得国家重点研发计划青年项目、国家自然科学基金、上海教育发展基金会曙光计划、上海市科学技术委员会、华东师范大学基础研究特区项目、复旦大学基础研究特区项目、中国博士后科学基金会的支持与资助。论文以张成、袁翔、徐长松为本文共同通讯作者，复旦大学2023级博士生马健文、华东师范大学2023级博士生孟祥浩、复旦大学博士后张宾花为共同第一作者。
论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S209592732400344X