东南大学AFM, 与铁电材料相关！
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由于计算机科技的不断发展，人们对能效和处理效率的需求日益增加。然而，传统的冯·诺伊曼计算机架构在处理速度和能耗之间存在严重的不平衡，导致了计算中的“冯·诺伊曼瓶颈”问题。冯·诺伊曼架构由于其计算和存储单元分离的特点，导致了数据传输的瓶颈，限制了计算机的性能。为了解决这一问题，科学家们开始探索一种新的计算机架构，即存储器内计算。其旨在将计算和存储单元紧密集成，以提高数据处理效率和能源利用率。然而，实现存储器内计算面临着诸多挑战，包括寻找适合的材料和构建具有稳定性和可控性的纳米电子器件。
本研究旨在开发具有高能效和处理效率的下一代纳米电子设备，以解决当前计算中的“冯·诺伊曼瓶颈”挑战。为了实现这一目标，研究者合成了一种新型的2D垂直多轴铁电材料(6-BHA)2CdBr4，并进行了多方面的表征和性能评价。在研究中，研究者首先通过X射线衍射和温度依赖性测试确定了材料的晶体结构和相变性质（见图1和图2）。结果显示，(6-BHA)2CdBr4在317.8K发生相转变，具有稳定的垂直自发极化，这是该材料的重要特性。接着，研究者利用原子力显微镜观察了材料的领域结构和领域切换行为（见图3）。结果显示，材料表现出良好的领域可调性和稳定性，为其在纳米电子器件中的应用奠定了基础。进一步，研究者通过光学和电学测试分析了材料的半导体特性和电特性（见图4和图5）。结果表明，(6-BHA)2CdBr4具有优异的光电性能和超低工作电压，为其在逻辑存储器内计算中的应用提供了有力支持。
图1（a）(6-BHA)2CdBr4的不对称单元。（b）阴离子键角和Cd-Cd距离的比较。（c）沿b轴方向的晶胞透视堆积视图。
图2. （a）(6-BHA)2CdBr4的温度可变粉末X射线衍射图样。（b）在加热和冷却运行中SHG强度的温度依赖性。（c）1 MHz时温度可变的介电常数。（d）使用不同频率的Sawyer-Tower方法的P-V磁滞回线。
图3. a）(6-HBA)2CdBr4薄膜的表面形貌图像。图像尺寸：90 µm × 90 µm。（b）(6-HBA)2CdBr4薄膜的垂直振幅和（c）垂直相位图像。（d）局部相滞后磁滞回线和振幅蝴蝶形曲线。（e）薄膜上20 µm × 20 µm区域的表面形貌图像。（f）VPFM相位图像：初始状态。（g）经过第一次极化偏置为−15 V DC尖端的极化后的状态。（h）经过通过+10 V DC尖端偏置的反向极化后的状态。
图4. a）UV-Vis吸收光谱。（插图：Tauc图；估计的带隙为4.10 eV。） （b）DFT计算确定的带结构。（c）部分态密度（PDOS）。
图5. （a）典型(6-BHA)2CdBr4 Fe-FET的光学图像。比例尺为20 µm。（b）金属-铁电-半导体异质结构的带结构图和(6-BHA)2CdBr4 Fe-FET的工作机理。（c）2D(6-BHA)2CdBr4 Fe-FET在编程和擦除状态的保留特性。程序/擦除门脉冲为±1 V，持续1 s。读取VDS和VG分别为0.5和0 V。（d）(6-BHA)2CdBr4 Fe-FET的横截面示意图。（e）设备在编程和擦除状态的传输曲线。图中的蓝色箭头表示电压扫描方向。数字分别对应四种状态。
本文探索了一种新型的2D垂直多轴铁电材料，并将其应用于逻辑存储器内计算。通过合成具有稳定垂直自发极化的铁电材料，研究者们成功地将存储和计算功能紧密集成在一起，从而有效地缓解了当前计算中的“冯·诺伊曼瓶颈”挑战。这一研究展示了将铁电材料应用于存储器内计算的潜力，为发展能够提高数据处理效率和降低能耗的下一代纳米电子器件提供了新思路和方法。同时，本研究还强调了分子铁电材料作为构建固有的2D垂直多轴铁电材料的理想平台的重要性，为设计和制备更加灵活、高效的功能性材料提供了参考和借鉴。
参考资料：
-- https://doi.org/10.1002/adfm.202314790