2021年7月3日，北京量子信息科学研究院量子物态科学研究部的常凯研究员作为第一作者兼通讯作者，与美国阿肯色大学物理系的Salvador Barraza-Lopez教授，德国马克斯·普朗克微结构物理研究所的Paolo Sessi博士、Stuart S. P. Parkin教授（共同通讯作者）合作，在知名期刊《先进材料》（Advanced Materials）上以“Vortex-Oriented Ferroelectric Domains in SnTe/PbTe Monolayer Lateral Heterostructures”为题发表文章。

二维半导体材料异质结是近年来凝聚态物理学的新兴领域，吸引了广泛的关注与研究。半导体异质结是由不同的半导体材料复合形成的多层结构，其界面处常常显示出与构成材料不同的新奇物理特性。由于铁电材料具有自发电极化，它在异质结中的作用可等效于栅极电场，可实现对异质结电子结构非易失性的调控。目前有铁电材料参与的半导体异质结大多是通过面外垂直堆垛的方式构成，对于面内半导体异质结的研究则相对缺乏。然而，面内半导体异质结是当前先进芯片制造工艺的重要组成部分，是将二维器件结构拓展到三维，从而进一步降低器件尺寸、降低功耗和提高器件密度的重要途径。因此，面内铁电半导体异质结的研究对新一代微电子技术的发展具有重要意义。

常凯等在文章中表示，首次使用原位的分子束外延生长(MBE)技术，生长出由单范德瓦尔斯层(van der Waals layer)铁电材料SnTe与顺电材料PbTe构成的面内异质结，并使用扫描隧道显微镜(STM)技术，表征了原子级平整、具有Ⅱ型异质结能带结构特性的SnTe/PbTe异质结界面，并进一步发现了SnTe铁电畴在PbTe周围形成了四象限顺/逆时针极化向内的涡旋取向。结合表面功函数的测量和第一性原理计算，作者分析了面内异质界面处的极化、空间电荷和应变效应的相互作用，给出了对铁电畴涡旋和择优极化方向物理机制的诠释。

研究中使用了两步法MBE生长技术，通过先后生长两种晶格结构相近的单层IV-VI族二维半导体来构成面内异质结，其结构如图1a所示，顺电材料PbTe为成核中心，铁电材料SnTe生长在外围。面内异质结界面处的电子结构由其本征的能带排列与SnTe铁电畴的分布方向共同决定。如图1c、d所示，STM形貌图像与微分电导（dI/dV）图像清晰地表现出了SnTe的铁电畴结构：整体表现出了由四个铁电畴组成的顺/逆时针涡旋取向，且极化矢量垂直于界面的分量总是由SnTe指向PbTe。结合Gundlach振荡谱测量和第一性原理计算，作者发现SnTe与PbTe表面功函数的差异产生的电荷转移在界面处造成了局域电场，从而诱导SnTe的电极化方向指向PbTe。同时，为了使静电能和弹性能最小化，SnTe内形成了平面内极化向内涡旋取向的四象限铁电畴。

图1 (a)单层SnTe/PbTe面内异质结示意图。(b)异质结界面晶格结构的顶视图（上）与侧视图（下）。(c)一个异质结的STM形貌图像与(d)微分电导图像，虚线所示为铁电畴壁，白色箭头所示为自发电极化方向。

该工作展现了利用面内异质结来调控二维铁电半导体极化状态的可能性，向IV-VI族二维半导体异质结的应用迈出了开创性的一步。该工作得到了北京量子信息科学研究院和国家自然科学基金项目的支持。

文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202102267