中科院金屬所發現二維極限下巨各向異性電阻效應

　　受晶格對稱性的影響，晶體材料中熱導率、電導率、介電常數、拉曼張量等基本物理量常常呈現出內稟的各向異性。例如，石墨中ab面內的電導率比面外(c方向)高三個量級，這種面內外的強各向異性在三維塊體范德華材料中比較常見。近年來，隨著二維材料研究的發展，各種面內的各向異性新現象不斷涌現。其中，晶格對稱性較低的二維范德華材料(例如SnSe、GeP等)的拉曼各向異性、電導率面內各向異性等現象受到越來越多的關注和深入的研究，基于此的原型器件也亟待設計和開發。然而，目前報道的二維極限下導電各向異性值（比如，面內某方向最大電導率與面內另一方向最低電導率的比值）均在10以內，數值偏小，不利于新型器件的開發應用。另一方面，能否通過某些快速方便的手段（例如門電壓）來調控電學的各向異性，也是一個極具挑戰性的問題。

　　近期，中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家研究中心研究人員與國內多家單位合作，發現了二維極限下層狀半導體材料碲化鎵（GaTe）面內電導率的巨各向異性，并實現了在門電壓調控下電學各向異性幾個數量級的變化，最后進行了相關原型器件的演示。該項研究工作于5月24日在Nature Communications雜志在線發表(DOI: 10.1038/s41467-019-10256-3)。

　　研究團隊采用惰性氣氛下原子層厚度的垂直組裝技術，將厚度范圍在4.8-20nm的少數層GaTe封裝于兩層氮化硼(h-BN)之中。通過微納米加工手段制備得到場效應器件，并進行系統的電學測量。實驗結果表明，室溫下空穴摻雜的少數層GaTe電導率呈現出隨方向變化的橢圓振蕩行為，也即存在與已報道的SnSe、GeP等體系相似的電導率各向異性（比值在10以內）。研究人員通過門電壓調控，將GaTe的費米面從空穴摻雜調節至價帶邊時，x方向電導率得到極大抑制，上述電導率各向異性的比值能夠從10倍飆升至5000倍（圖1），遠超目前報道的具有面內電學各向異性的其他體系。

　　研究團隊對該體系做了系統的第一性原理計算和量子輸運特性模擬，計算和模擬結果與實驗結果定性吻合。計算結果表明，該體系中低對稱性的晶體結構導致了兩能帶色散的各向異性：在接近價帶頂處，隨方向變化的載流子其有效質量最大值和最小值之間存在一個數量級的差異（最大有效質量約1.55m0，最小有效質量約0.18m0）。同時，電聲耦合形變勢在晶格方向上也存在和有效質量一致的明顯差異。這種載流子有效質量和電聲耦合形變勢的差異性正是GaTe巨各向異性電導率的原因。量子輸運模擬結果表明，在特定方向上，載流子透射率展現出非同尋常的門電壓調控敏感性，電導率各向異性比值隨門電壓變化產生數量級的巨大變化，呈現出與實驗一致的調控趨勢。

　　基于上述發現，研究團隊在該體系中引入了石墨浮柵，構建了全范德華組裝的各向異性GaTe浮柵存儲納米器件，并演示了該器件中優異的存儲器性能（圖2）。通過一次門電壓擦寫，在該浮柵操控的原型存儲器件中可同時實現x和y方向（兩者方向垂直）兩組信息存儲（圖3）。

　　二維極限GaTe納米電子器件展示出了門電壓可調的、面內巨各向異性電阻效應（Giant Anisotropic Resistance），為實現新型各向異性邏輯運算及存儲單元提供了可能。

　　該工作由金屬所韓拯研究員、楊騰副研究員、張志東研究員設計，在山西大學秦成兵副教授、張靖教授，北京大學陳劍豪教授、葉堉教授，以及國防科技大學朱夢劍副教授等合作下完成。金屬所博士生王漢文、陳茂林、王雅寧，與國防科技大學朱夢劍副教授為本文共同第一作者。韓拯研究員、楊騰副研究員、陳劍豪教授、秦成兵副教授為共同通訊作者。該工作得到了青年千人計劃、國家自然科學基金委、沈陽材料科學國家研究中心、科技部重點研發計劃納米科技專項等支持。

　　全文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-019-10256-3

　　圖1 少數層GaTe范德華異質結器件中隨門電壓可調的面內電學各向異性

　　圖2 堆疊范德華結構（h-BN/Graphene/h-BN/GaTe/h-BN）浮柵存儲器的性能展示

　　圖3 少數層GaTe各向異性浮柵存儲器件的操控演示：通過一次門電壓擦寫，實現了x和y方向（兩者垂直）兩組信息存儲