Ferroelectric-to-paraelectric phase engineering for 2D layered ultra-high- κ dielectrics

电介质 材料科学 凝聚态物理 铁电性 范德瓦尔斯力 极化(电化学) 居里温度 偶极子 相变 高-κ电介质 离子键合 相(物质) 光电子学 介电响应 泄漏(经济) 晶体管 激发极化 极化密度 栅极电介质
作者
Jianmin Yan,Jianmiao Guo,Zhihang Xu,Tianqing Wan,Jie Li,B. L. Zhang,Cong Wang,Hongye Chen,Ye Zhu,Yang Chai
出处
期刊:National Science Review [Oxford University Press]
卷期号:13 (8): nwag126-nwag126 被引量:4
标识
DOI:10.1093/nsr/nwag126
摘要

ABSTRACT The progress of 2D electronic devices urgently requires van der Waals (vdW) dielectric layers that combine high dielectric constant, ultralow leakage and atomically smooth interfaces. 2D ferroelectrics typically exhibit high dielectric constant due to ionic displacement-driven polarization, but their pronounced remnant polarization and hysteretic switching behavior induce non-volatile states that fundamentally conflict with digital electronics. Landau theory dictates a ferroelectric–paraelectric transition at Curie temperature (TC); spontaneous polarization persists below TC, while the high-symmetry paraelectric phase above TC enforces zero polarization, thus inherently eliminating the remnant polarization and hysteresis. Here, we transform common 2D ferroelectric CuInP2S6 into robust vdW dielectrics at room temperature by cationic substitution at Cu sites. The ferroelectricity is suppressed by disrupting long-range dipolar order, exhibiting hysteresis-free paraelectric behavior and preserving structural integrity and high dielectric constant. Centimeter-scale single crystals (Cu1−xM′xInP2S6, 0.05 ≤ x ≤ 0.4) are exfoliable into atomically flat nanoflakes. The paraelectric Cu0.8Ag0.2InP2S6 exhibits a record-high dielectric constant (κ ∼ 108) among vdW layered dielectrics, maintaining a low leakage current (∼10−12 A) and a breakdown field of ∼2.6 MV/cm. These dielectrics form trap-free vdW interfaces with few-layer MoS2, enabling transistors with 0.5 V operation, 108 ON/OFF ratio and 62 mV/dec subthreshold swing.
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