大家好，今天为大家分享一篇2026年4月22日发表在Nano Letters的文献，题目为"Layered van der Waals Ferroelectric BiOI for High-Performance Multistate Memory"。本文的第一作者是Lele Ren，本文的通讯作者是Zaichun Sun和Bao-Wen Li。
摘要
范德华层状铁电材料被认为是下一代纳米电子器件的有希望的候选者。在这些材料中，二维（2D）卤氧化物因其优异的介电性能和电子能带结构而受到广泛关注。然而，对其铁电极化的研究相对较少。本研究中，我们探究了通过气相化学沉积法合成的范德华层状碘氧化铋（BiOI）的本征铁电性能。研究发现，BiOI表现出约450 K的高居里温度，并同时具有面内和面外铁电畴翻转能力。此外，基于BiOI的铁电忆阻器展示了高达10⁴的开关比、10⁴秒的长期数据保持能力、多达10000次的优异循环稳定性以及存储多态数据的能力。这项研究为进一步探索卤氧化铋的铁电性能提供了坚实的基础，并为其在高性能铁电存储器件中的潜在应用铺平了道路。
研究正文
1. BiOI薄膜的结构表征
研究团队通过气相化学沉积法在(001)取向的Nb:SrTiO₃衬底上生长了BiOI薄膜。BiOI的晶体结构由[Bi₂O₂]²⁺层和I⁻层通过离子键连接而成，这些[Bi₂O₂]²⁺层再沿c轴通过范德华相互作用堆叠。
图1. 生长在(001)取向Nb:SrTiO₃衬底上的BiOI薄膜的结构表征。 (a) BiOI的晶体结构示意图。(b) 不同厚度BiOI的拉曼光谱。(c) BiOI的温度依赖性二次谐波产生（SHG）强度。(d) SHG强度随温度的变化。(e, f) 平行和垂直偏振下，BiOI的偏振角依赖性SHG强度。(g) BiOI的EDS元素分布图。(h) Nb:SrTiO₃衬底与BiOI薄膜界面处的高角度环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）图像。(i) 通过几何相位分析得到的(h)图的应变场图。
图1b的拉曼光谱显示了BiOI的典型振动模式，且声子模式对厚度依赖性不明显。为了验证BiOI薄膜的晶体对称性，研究人员进行了二次谐波产生（SHG）测量。如图1c和1d所示，室温下BiOI薄膜具有显著的SHG信号，表明其结构不具备中心对称性。随着温度升高，SHG强度逐渐减弱，并在450 K附近基本消失，这标志着BiOI薄膜发生了结构相变，其居里温度约为450 K。此外，图1e和1f的偏振相关SHG信号进一步证实了BiOI薄膜在面内（IP）和面外（OOP）方向均不具有中心对称性。高分辨电镜（图1h）和应变分析（图1i）表明BiOI薄膜为高质量的外延生长。
2. BiOI薄膜的铁电性能
为了直接证实BiOI的铁电性，研究人员利用压电响应力显微镜（PFM）对其进行了表征。通过在样品表面施加局域电场，PFM可以探测材料的表面位移，从而揭示其铁电畴的分布和翻转行为。
图2. BiOI薄膜的压电响应力显微镜（PFM）表征。 (a) 面内（IP）PFM相位图，(b) 面外（OOP）PFM相位图，(d) IP PFM振幅图，(e) OOP PFM振幅图。这些图像是在对25 nm厚的BiOI薄膜内部和外部方框区域分别施加15V和-15V电压后获得的。(c) OOP PFM相位图和(f) OOP PFM振幅图，展示了用15V和-15V电压写入“WHUT”字样后的结果。(g) 相位和(h) 振幅在不同电压下的PFM磁滞回线（25 nm厚的BiOI）。(i) 25 nm厚BiOI的PFM相位（橙色）和振幅（绿色）磁滞回线。
如图2a和2b所示，通过在25 nm厚的BiOI薄膜上施加±15 V的电压，研究人员成功实现了面内（IP）和面外（OOP）铁电畴的写入。相位图中清晰的180°反转，证明了BiOI中存在可逆的铁电畴翻转。图2g-i展示了典型的铁电磁滞回线和“蝴蝶”形振幅曲线，进一步确认了其铁电特性。研究还发现，铁电性随薄膜厚度变化，在25 nm时达到最佳。理论计算表明，BiOI的铁电性来源于电场作用下I离子在[Bi₂O₂]²⁺层间的位移，这种位移同时包含垂直和横向分量，从而产生了可切换的面外和面内极化。
下表将BiOI的铁电性能与其他二维范德华层状铁电材料进行了比较。BiOI在具有较高居里温度的同时，兼具面内和面外铁电性，显示出其独特性。
表1. 二维范德华结构层状铁电材料的带隙、极化强度、居里温度和极化方向
3. 基于BiOI的铁电存储器件性能
基于BiOI所具有的面内和面外铁电性，研究团队分别构建了横向和纵向结构的铁电存储器件，并对其性能进行了测试。
图3. BiOI铁电存储器件的电阻性能。 (a) 横向和(e) 纵向BiOI基器件的示意图。(b) 横向和(f) 纵向BiOI器件的I-V开关曲线。(c) 横向和(g) 纵向BiOI器件在±6V极化下测量的I-V曲线。(d) 横向和(h) 纵向BiOI器件的高阻态（HRS）和低阻态（LRS）的数据保持特性，读取电压为0.1V。(i, j) 面内（IP）和(k, l) 面外（OOP）BiOI极化状态下的开和关状态能带图。
横向器件（图3a-d）利用面内铁电极化调控，实现了超过10²的开关比和10³秒的数据保持时间。而纵向器件（图3e-h）利用面外铁电极化，表现出更为优越的性能：开关比高达10⁴，数据保持时间超过10⁴秒。其工作机制是铁电极化翻转改变了BiOI与电极界面的肖特基势垒高度（图3i-l），从而实现了对器件电阻状态（高阻态/低阻态）的有效调控。
下表总结了BiOI铁电忆阻器与其它常见二维铁电忆阻器的性能参数对比。在同时表征面内和面外存储性能的器件中，BiOI基铁电忆阻器在开关比和保持特性方面均表现出显著优势。
表2. 本文工作与其它二维铁电忆阻器在保持时间、耐久性和开/关电流比方面的比较
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| BiOI | IP | Au/BiOI/Au | 10³ | 10³ | 10² | 本文 |
| BiOI | OOP | Nb-SrTiO₃/BiOI/Au | 10⁴ | 10⁴ | 10⁴ | 本文 |
4. BiOI器件的多态存储与稳定性
为了进一步探索其在高密度存储中的应用潜力，研究人员测试了纵向BiOI器件的多态存储能力。
图4. 纵向BiOI基器件的保持性能。 (a) 在相同LRS电压下，不同HRS电压下的40次循环电阻开关性能。(b) 通过施加不同的负脉冲电压，在恒定的6V电压下，实现LRS和HRS之间的切换。(c) 不同极化电压下的电阻开关行为。(d) 在相同HRS电压下，不同LRS电压下的40次循环电阻开关性能。(e) 通过施加不同的正脉冲电压，在恒定的-6V电压下，实现LRS和HRS之间的切换。(f) 不同极化电压下电阻态的累积分布图。(g) HRS和LRS在10000次扫描循环中的电阻保持性能。(h) 10000次扫描循环后HRS和LRS电阻的累积分布图。(i) HRS和LRS的电阻保持数据。
通过施加不同幅度的极化电压（-2V至-6V和2V至6V），器件可以稳定地处于多个不同的电阻状态（图4a-f）。这种多级存储能力源于极化不完全翻转所产生的中间状态。更重要的是，该器件表现出优异的耐久性。如图4g-i所示，经过10000次读写循环后，其高低阻态依然清晰可辨，开关比没有明显衰减，并且数据能够稳定保持。这些结果充分证明了BiOI在实现非易失性、多态数据存储方面的巨大潜力。
总结与展望
本文的创新点主要包括：
- 1. 材料与物性发现：首次报道了通过气相化学沉积法生长的层状范德华材料BiOI具有本征铁电性，并证实其同时拥有面内（IP）和面外（OOP）两种铁电极化模式。
- 2. 高性能铁电特性：实验表明BiOI具有约450 K的高居里温度，这使得其铁电性在室温以上仍能稳定存在，有利于实际应用。
- 3. 优异的存储性能：基于BiOI构建的纵向铁电忆阻器展现了卓越的综合性能，包括10⁴的高开关比、10⁴秒的长数据保持时间和10000次的优异循环耐久性。
- 4. 多态存储能力：成功实现了在BiOI器件中通过调控极化电压来获得多个稳定的电阻态，证明了其在高密度、多态存储应用中的潜力。
未来研究方向与改进：
- 1. 机理深化研究：可进一步通过先进的原位表征技术，深入探究BiOI中面内与面外铁电极化之间的耦合机制，以及在原子尺度下畴壁的动态行为。
- 2. 器件尺寸微缩：探索BiOI在更小尺寸（如少层甚至单层）下的铁电性能，评估其在未来更高端、更集成化的存储芯片中的应用极限。
- 3. 异质结构建：将BiOI与其他二维材料（如石墨烯、二硫化钼等）结合，构建范德华异质结，有望开发出具有光电耦合、神经形态计算等新功能的器件。
- 4. 材料体系拓展：将本研究的发现拓展至其他铋基卤氧化物材料体系，有望发现更多具有新奇物理特性和应用价值的新型二维铁电材料。
