武汉理工大学吴劲松教授课题组《Nat. Commun.》: 多极反铁电Cu2Se半导体中的阻变效应

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电场作用下材料电阻的可逆切换被认为是未来高效大规模计算必不可少的过程。然而，其潜在的物理机制在很大程度上仍然未知。缺乏直接观察与电阻变化相关的微观结构演变的手段一直是探究内在物理机制的障碍。

近日，武汉理工大学吴劲松教授，苏贤礼研究员和唐新峰教授等近日在《自然•通讯》（Nature Communication）上报道了一种具有阻变效应的多极反铁电 Cu₂Se 半导体。作者利用电子显微学原位技术在 α-Cu₂Se 中观察到了电场调控下电阻的可逆变化。研究表明室温有序 α-Cu₂Se 相中的 Cu⁺ 离子偏离 Se-四面体中心位置从而形成了自发的电偶极子，并确定 α-Cu₂Se 相是一种多极反铁电半导体。当在材料上施加偏压时，样品中取向畴的可逆切换导致了电阻的可逆变化。该研究扩展了具有局部极性的半导体作为未来计算架构的硬件基础的机会。

图一：α-Cu2Se的阻变效应和取向畴的可逆转换。图片来源：Nat. Commun.

作者在透射电镜中对α-Cu2Se半导体施加偏压。原位实验结果表明，0 V时样品中存在[0-10]和[10-1]两个高度共格的取向畴。在升高偏压时[0-10]畴会转变为[10-1]畴，降低偏压则现象相反。由于材料结构和导电性的的各向异性，使得样品随着取向畴转变表现出了阻变现象。

图二：α-Cu2Se中多极反铁电轴和晶体的重新定向。图片来源：Nat. Commun

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图三：取向畴界面处的原子结构和应变分布。图片来源：Nat. Commun

通过对α-Cu₂Se结构的分析，发现Cu并不处于Se的四面体中心，根据阳离子（Cu⁺）占位与阴离子（Se^2-）中心存在偏差，得出了材料中存在多个成对出现的极化方向，作者认为这种性质是取向畴能够发生转变的主要原因（两畴中Se亚晶格高度共格，基本保持不变，Cu发生了重排）。样品在偏压和应力的作用下发生了Cu⁺发生了集体定向跃迁和重排，使得样品取向能够发生可逆转换。

文章第一作者为武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室2019级博士白辉，吴劲松教授为共同第一作者。

论文信息
Bai, H., Wu, J., Su, X. et al. Electroresistance in multipolar antiferroelectric Cu₂Se semiconductor. Nat Commun 12, 7207 (2021).

原文链接

https://www.nature.com/articles/s41467-021-27531-x

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