一种基于二维材料和杂原子吸附的铁电材料、铁电存储器

本发明属于铁电材料，具体涉及一种基于二维材料和杂原子吸附的铁电材料、铁电存储器。

背景技术：

1、公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

2、随着大数据时代的到来，电子设备对于高效、低功耗的存储需求不断增加。传统的存储器结构(如sram、dram)存在能耗大、速度慢的瓶颈，因此铁电存储器(feram)成为一种新兴的解决方案。铁电存储器依赖于铁电材料的自发极化特性，这使得数据可以在没有电源的情况下长期保存。当前广泛应用的铁电材料包括pzt(锆钛酸铅)和hfzro2(铪锆氧化物)。pzt是最早被商业化应用的铁电材料，而hfzro2作为一种新型的铁电材料，展现出良好的性能并且与cmos工艺兼容性强，推动了铁电存储器的发展。

3、pzt作为最早商业化的铁电材料，尽管其剩余极化(pr)可高达30～40μc/cm2，但当其厚度减少到50纳米以下时，铁电性能大幅衰减，无法满足超薄存储器的需求。pzt材料的开关疲劳问题也导致了其寿命受限(通常在1011次循环后性能衰减)。此外，pzt中的铅元素存在环境污染问题，难以满足现代环保要求。

4、相比之下，hfzro2虽然展现了较好的微缩性能和与cmos工艺的兼容性，在低厚度下尽管保持铁电性，但其剩余极化值仅为10～50μc/cm2，极化强度相对较低，存储密度有限。在操作电压和功耗方面，hfzro2的开关电压虽然比pzt低，但仍需达到1～1.5mv/cm的场强，这导致在存储器操作中能耗较高，特别是在低功耗应用中表现不足。hfzro2的开关电压依赖于材料的晶相结构，而该材料多晶性导致器件的性能一致性和耐久性差异较大。并且hfzro2在高频操作下会发生疲劳现象，导致铁电性能随时间和循环次数衰退，限制了器件的耐久性。实验表明，hfzro2器件在经过约1011次读写循环后会出现性能衰退，影响其长期稳定性。

5、al1-xscxn等氮化物基材料在高温下展现出优异的铁电性能，并且与cmos工艺高度兼容。这类材料具有较高的剩余极化值和较高的操作温度稳定性(可达1000℃)，并且在厚度低至10nm时仍能保持铁电性，使其在极端环境下的存储和计算应用中具有巨大潜力。然而，这类材料目前的操作电压较高(约为2～6mv/cm)，需要进一步优化。

6、综上，现有的铁电材料虽然在铁电存储器应用中取得了广泛应用，但在微型化、调控性能、功耗和稳定性等方面仍存在显著不足。

技术实现思路

1、为了解决现有技术的不足，本发明的目的是提供一种基于二维材料和杂原子吸附的铁电材料、铁电存储器。本发明基于二维材料与杂原子相互作用，通过吸附特定的杂原子在二维材料的孔隙中，利用电场调控实现铁电性能的可逆性，使得在超薄材料层中实现稳定的铁电性能，同时兼具低功耗、高调控性和高稳定性。

2、为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

3、第一方面，本发明提供了一种基于二维材料和杂原子吸附的铁电材料，包括二维材料和杂原子，所述二维材料由多层具有孔隙结构的片层组成，所述杂原子为过渡金属原子，所述杂原子吸附在所述孔隙的一侧，在施加电场时所述杂原子通过所述孔隙穿过所述片层实现正负极化切换。

4、作为基底的二维材料具有高电子迁移率和丰富的孔隙结构，为杂原子的吸附和极化调控提供了理想的物理基础。在该基底材料上，通过化学键吸附特定的过渡金属杂原子。这些杂原子可稳定存在于石墨炔的孔隙处，形成杂原子与二维基底材料的强相互作用，产生面外极化。所有杂原子可自发或通过预施加电压在二维石墨炔的孔隙上方吸附，此时其处于特定的极化状态。在施加电场后，杂原子克服势垒，从孔隙上方穿过至孔隙下方，杂原子穿过空隙后存在一个较大的势垒使其无法脱吸附，从而实现极化方向的翻转。二维材料与杂原子之间的独特相互作用机制，显著降低了铁电存储器的操作电压。

5、优选的，所述二维材料的厚度为15～100nm。二维材料薄膜由少层或多层石墨炔堆叠而成，每个片层厚度可忽略不计，薄膜厚度取决于层间距及层数。石墨炔典型层间距为0.365nm。

6、优选的，所述过渡金属原子包括锰原子、铬原子、镍原子、钴原子和铁原子中的至少一种。

7、通过选择不同类型的过渡金属杂原子，可以有效调控极化强度和反转势垒的高度，极化强度在小电压变化下即可显著调整，在较低电压下即可实现极化反转。

8、优选的，所述二维材料包括石墨炔、石墨烯、掺杂石墨烯、硅烯、掺杂硅烯和过渡金属硫化物中的至少一种。

9、使用的二维材料完全避免了铅等有害元素的使用，克服了pzt材料的环境污染问题。

10、优选的，杂原子的数量和二维材料的孔隙数的比例为(0～1):1，不包括0。进一步优选的，杂原子的数量和二维材料的孔隙数的比例为(0.3～0.7):1。

11、为实现杂原子可穿过石墨炔孔隙，要求每个孔隙处最多只能有一个杂原子吸附，即单原子吸附。杂原子和二维材料的原子数比、以石墨炔为例，石墨炔结构中存在蜂窝状孔隙，平均每个孔隙由六个c原子围成。

12、第二方面，本发明提供了一种如第一方面所述铁电材料的制备方法，包括以下步骤：

13、将所述二维材料和含有所述杂原子的可溶性盐分散于溶剂中，搅拌后干燥即得所述铁电材料。

14、优选的，所述可溶性盐包括盐酸盐、硫酸盐、硝酸盐、醋酸盐和酸根含有所述杂原子的盐中的至少一种。

15、优选的，搅拌的时间为0.1～24h，干燥包括真空干燥或冷冻干燥。

16、第三方面，本发明提供了如第一方面所述的铁电材料在铁电存储器、非易失性存储器或铁电场效应晶体管中的应用。

17、第四方面，本发明提供了一种铁电储存器，包括如第一方面所述的铁电材料。

18、上述本发明的一种或多种技术方案取得的有益效果如下：

19、实现超薄材料中的稳定铁电效应，推动存储器微型化。现有的铁电材料(如pzt)在厚度降低到50纳米以下时铁电性能显著下降，限制了其在高密度微型存储器中的应用。本发明通过在二维材料(如石墨炔)上吸附杂原子，利用杂原子与二维材料之间的相互作用，实现了超薄材料中的稳定铁电效应，能够有效解决传统铁电材料在微缩过程中性能下降的问题，从而促进高密度、超薄存储器的设计与应用。

20、提高铁电性能的可调性与灵活性，满足多样化应用需求。传统铁电材料(如hfzro2)的铁电性能受限于材料的固有性质，其极化强度和反转势垒难以灵活调节，限制了其在不同应用场景中的适用性。本发明通过在二维材料孔隙处吸附不同的杂原子，并通过外部电场或应变等外力调控，实现极化强度和反转势垒的精确调整。这种设计大幅提高了材料性能的可调性和灵活性，能够更好地适应不同应用场景的需求。

21、降低铁电器件的功耗，提升能效。现有的铁电存储器(如基于的hfzro2器件)尽管在操作电压上已经有所降低，但其仍然需要较高的开关电压，导致功耗较高，不适合低功耗应用场景。本发明通过设计二维材料与杂原子相互作用的铁电机制，利用外部电场触发杂原子的极化反转，能够在更低的电压下实现极化开关，从而显著降低铁电器件的功耗，提升其能效，适用于低功耗的存储器和计算器件。

22、增强铁电材料的耐久性，延长器件寿命。现有铁电材料(如pzt和hfzro2)在高频操作下会发生疲劳现象，导致铁电性能随时间和循环次数衰退，限制了器件的耐久性。本发明通过杂原子在二维材料孔隙内的稳定吸附和极化反转机制，减少了材料在极化开关过程中的损耗，显著提升了材料的循环耐久性，能够有效延长器件的使用寿命，满足高频读写操作的需求。

23、提供无铅环保材料，符合绿色环保需求。传统铁电材料(如pzt)含有铅元素，存在环境污染和健康风险，无法满足环保要求。本发明通过利用无铅的二维材料(如石墨炔)和杂原子设计出新型铁电材料，不仅具备优异的铁电性能，还避免了铅等有害元素的使用，符合绿色环保的发展趋势，适用于更广泛的电子器件应用。