近日，张成课题组在基于电荷密度波拓扑半金属材料(TaSe4)2I的表面观察到室温面外铁电极化的性质，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。这类材料的发现为未来拓扑电子器件的设计提供了新思路。进一步地，如果能实现对拓扑材料中铁电态的量子调控，有望推动拓扑电子器件方向的进一步发展。
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。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。
外电场调控(TaSe4)2I–金属接触处形成的肖特基势垒的高度
实验上，研究团队对(TaSe4)2I晶体及微纳器件进行了系统的表征和性能测试。压电力显微镜的测试结果表明，(TaSe4)2I在室温下具有显著的面外铁电性，透射电子显微镜成功观察到了碘离子的移动，与第一性原理的计算结果相吻合。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，并对其进行电流-电压、开关比、开关次数、耐久性等方面的测试。在电流-电压测试中，器件表现出标准的忆阻行为：正向扫描中，0.5 V处发生Reset过程，器件由低阻态转变为高阻态；反向扫描中，−0.5 V处发生Set过程，器件由高阻态转变为低阻态。器件开关比高达103，开关次数超过103，并具备较好的耐久性。
室温下(TaSe4)2I具有面外铁电性及电流–电压曲线
本工作由复旦大学张成课题组、徐长松课题组和华东师范大学袁翔课题组合作完成。研究得到了复旦大学周鹏、刘春森、石武、向都、华东师范大学段纯刚、田博博、杨振中以及东南大学苗霖等多位老师的大力支持和帮助。工作获得国家重点研发计划、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、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。论文以复旦大学为第一单位，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