铁电存储以电滞回线为物理基础，是一种具备尖端块写入保护功能的非易失性存储技术，是高端芯片技术的重要组成部分。因此，对新型铁电现象和铁电材料的探索研究一直备受关注：
2011年，T. Boscke等人在非钙钛矿结构的HfO2基薄膜中获得电滞回线，颠覆了传统钙钛矿陶瓷材料体系，证实了一种全新的铁电材料(Appl. Phys. Lett. 99, 112901, 2011)；
2013年，Shi等人发现了金属铁电，报道了钙钛矿金属LiOsO3中的电极性晶体结构与金属态共存(Nature Materials, 12, 1024,2013)；
2015年，D. Lee等人在低维SrTiO3中观察到了铁电的电滞回线(Science, 349, 1314, 2015);
2018年，Fei等人报道了二维金属WTe2中的铁电翻转(Nature 560, 336, 2018)。
近日，我院光伏课题组陈剑辉博士联合刘保亭教授课题组，在两种非铁电材料聚合物薄膜PSS和单晶硅Si的界面发现了“可翻转的界面偶极子(SIDs)”，并获得了饱和趋势良好的电滞回线(图1a)。这一结果表明：电滞回线并非铁电材料专属，两种非铁电材料的界面偶极子翻转也可以产生电滞回线。HRTEM测试表明极化翻转发生在6-8 Å的超薄界面极性微区内(图1b)，这一尺寸远小于钙钛矿氧化物铁电薄膜的临界尺寸24 Å (Nature, 422, 502, 2003)。
图2a显示了在PSS/Si有机-无机异质结体系观察到的电滞回线、极化翻转电流和电容-电压曲线。从中可以看到，电滞回线饱和趋势良好，不同于电介质漏电损耗。为了排除漏电引起的极化强度滞回，作者测试了瞬态电流，即铁电PUND测试(这一手段通常被作为铁电极化翻转的重要证据，以区分铁电与电介质介电损耗现象，见图2b)。研究结果表明PSS是一种非晶态的有机电介质，其本身并非铁电材料。为了验证这一点，作者在PSS/Si界面直接分别引入了金属Ag和Pt、半导体ITO和电介质材料SiO2，结果发现电滞回线消失(图2c)，排除了PSS本身具有铁电性能的可能。进一步，既然是界面铁电，必将受到界面态密度的影响。为了证实这一点，作者在晶体硅表面制备了纳米线阵列(图2d)，结果发现通过调控纳米线长度(实质是在改变PSS/Si界面比例)，极化强度可被调控和改善 (图2e-f)。这一结果不仅进一步确立了界面态可以影响铁电极化，也给出了界面铁电性能优化的技术路线。实验还表明有机-无机界面电容器具有较好的极化疲劳和保持等宏观铁电特性。
这一工作将电滞回线从单一的体材料发展到有机-无机界面，从材料学科延伸到交叉学科。从技术角度，电滞回线的获得不再需要传统钙钛矿铁电薄膜必须的高温(600-700 °C)，也不需要SrTiO3、LaAlO3等氧化物衬底或是得使用阻挡层和氧化物电极才能集成在硅上，而是在室温条件下直接集成到硅。界面偶极子的形成主要是依赖于PSS分子上的磺酸集团和硅表面原子的电化学相互作用，因此不仅仅是PSS，其他磺酸基薄膜如PAMPS, PS-b-PERB, Nafion等皆有类似效果，这就形成一个获取电滞回线的新的材料体系。
该工作以“Ferroelectric-like organic–inorganic interfaces”为题发表在[J. Mater. Chem. C, 2020, Advance Article]。光伏课题组硕士生杨林林、刘保亭课题组郭建新老师和硕士生李健为共同第一作者，陈剑辉为通讯作者。硕士生严珺、葛坤鹏、本科生蒋佳月为参与作者。该工作得到了光学工程一流学科建设经费、国家自然科学基金、河北省优秀青年科学基金和河北省自然科学基金的资助。
图1 (a) PSS/Si有机-无机杂化异质结；(b)原位、正负极化的PSS/Si界面
图2 有机-无机杂化体系的铁电特性
原文链接：https://doi.org/10.1039/D0TC03384G
