[发明专利]一种基于应变调控实现单侧半氢化硅烯铁电性的结构设计

说明书

本发明公开了一种基于应变调控实现单侧半氢化硅烯铁电性的结构设计，通过对二维单原子层单侧半氢化硅烯（Si₂H）进行应变调控，在不影响铁电极化的前提下降低极化翻转势垒，试图实现单侧半氢化硅烯由单纯的极化态向铁电态的转变，最终使其具备铁电性能；该结构不仅具有很好的稳定性，还大大缩小了信息存储单元，具有极化垂直于薄膜平面、容易读取和通过外场操控的特点。

技术领域

本发明电介质材料应用领域，具体涉及一种基于应变调控实现单侧半氢化硅烯铁电性的结构设计。

背景技术

随着科技的不断发展，对于高速、低耗、非易失性的存储器件要求越来越高，传统的半导体工艺技术目前已经逼近理论预测极限，其存储性能很难满足未来市场的要求。找到一种新的铁电性能优异的二维材料尤为重要。2016年，Liu等人发现室温下的CuInP2S6是稳定且具有铁电性的。2017年，Ding等人预测出In2Se3 和其它 III-VI 族范德华材料是同时具有面内和面外铁电极化的室温铁电材料。同年，Zhou 等人报道通过扫描透射电子显微镜、二次谐波产生以及拉曼光谱等方法在 10 nm的ɑ-In2Se3薄膜中观测到稳定的面外压电性以及铁电性。越来越多的二维铁电材料被挖掘。

石墨烯是一种由单层碳原子构成的六角蜂窝状的二维材料。凭借具有很多优异的性能，包括超高的导电效率、优良的导热性能、超疏水性和机械特性，引起了一股研究热潮。硅烯与石墨烯结构相差不多，同为六角蜂窝状结构，但硅烯具有微小的褶皱，而且由于硅烯的自旋轨道耦合包含了一阶的自旋轨道耦合相互作用，所以氢化硅烯具有大于氢化石墨烯的能隙，合适的能隙是判断材料是否具备铁电性的必要条件。单侧氢化的硅烯具有锯齿型、船型和扶手椅型三种稳定的构型。扶手椅型和船型单侧氢化硅烯都是直接带隙半导体，带隙分别为1.79 eV和1.14 eV，带隙仅为相应构型完全氢化硅烯的一半。从能隙的大小、直接半导体性质以及结构的非对称性等角度，分析发现单侧氢化的扶手骑型结构为二维铁电性提供了极大可能。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，提供一种基于应变调控实现单侧半氢化硅烯铁电性的结构设计；通过对二维单原子层单侧半氢化硅烯（Si₂H）进行应变调控，在不降低铁电极化的前提下降低极化翻转势垒，试图实现单侧半氢化硅烯由单纯的极化态向铁电态的转变，最终使其具备铁电性能；该结构不仅具有很好的稳定性，还大大缩小了信息存储单元，具有极化垂直于薄膜平面、容易读取和通过外场操控的特点。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种基于应变调控实现单侧半氢化硅烯铁电性的结构设计，所述设计方案包括如下步骤：

步骤一、硅烯薄膜

选用硅烯作为实现和调控铁电性能的材料，其原因在于：一是因为氢化硅烯的直接带隙比较大，外加电场不容易击穿薄膜；二是因为硅烯薄膜中相邻硅之间的共价键较长，导致硅六角环的半径较大，便于氢原子的翻转和共价键的重构；三是因为硅在自然界中的含量大，用之不尽，就像石墨烯一样，硅烯易于制备，通过溅射法可将硅烯均匀沉积在单晶Ag衬底上形成硅烯薄膜，再将硅烯薄膜制备成氢化硅烯薄膜；

步骤二、氢化硅烯极化结构设计：

硅烯吸附氢原子时，通常都是在硅烯薄膜的两侧，均匀吸附，形成的氢化硅烯虽然有较大能隙，但结构对称性高，不具备形成铁电性的条件，因此通过对单侧氢吸附的硅烯结构进行计算优化，即对单侧氢吸附的硅烯结构采用极化翻转的形式进行优化，使氢原子位于硅原子的下方；结果发现，由于对称性高度破缺，硅烯具有很强的极化和很高的极化翻转势垒。极高的势垒虽然使得极性结构很稳定，但电偶极矩难以翻转；在不加外应变时，单个偶极翻转需要的能量为1.484 eV；

步骤三、张应变：

将Ag衬底固定于机械设备上，外加二维机械张应力作用于衬底，对氢化硅烯施加张应变，使得硅烯褶皱减小，相邻硅原子间距增大，极化翻转势垒降低，氢化硅烯容易形成单侧扶手椅型氢化硅烯；