Competing Charge Transfer and Screening Effects in Two-Dimensional Ferroelectric Capacitors

铁电性 材料科学 电容器 铁电电容器 电荷(物理) 光电子学 纳米技术 电介质 电压 物理 量子力学
作者
Jiawei Huang,Changming Ke,Zhuang Qian,Shi Liu
出处
期刊:Nano Letters [American Chemical Society]
卷期号:24 (22): 6683-6688 被引量:1
标识
DOI:10.1021/acs.nanolett.4c01362
摘要

Two-dimensional (2D) ferroelectrics promise ultrathin flexible nanoelectronics, typically utilizing a metal–ferroelectric–metal sandwich structure. Electrodes can either contribute free carriers to screen the depolarization field, enhancing nanoscale ferroelectricity, or induce charge doping, disrupting the long-range crystalline order. We explore electrodes' dual roles in 2D ferroelectric capacitors, supported by first-principles calculations covering a range of electrode work functions. Our results reveal volcano-type relationships between ferroelectric–electrode binding affinity and work function, which are further unified by a quadratic scaling between the binding energy and the transferred interfacial charge. At the monolayer limit, charge transfer dictates the ferroelectric stability and switching properties. This general characteristic is confirmed in various 2D ferroelectrics including α-In2Se3, CuInP2S6, and SnTe. As the ferroelectric layer's thickness increases, the capacitor stability evolves from a charge-transfer-dominated state to a screening-dominated state. The delicate interplay between these two effects has important implications for 2D ferroelectric capacitor applications.
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