【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】二維鐵電半導(dǎo)體對(duì)于推動(dòng)信息存儲(chǔ)、能量轉(zhuǎn)換和神經(jīng)形態(tài)計(jì)算領(lǐng)域的發(fā)展至關(guān)重要。其中，α-In2Se3憑借獨(dú)特的面內(nèi)-面外鐵電極化耦合特性而備受關(guān)注：這種耦合效應(yīng)可有效抑制材料在納米尺度面臨的退極化場(chǎng)問題，使其能在單層極限厚度下仍然保持穩(wěn)定的鐵電性。理論計(jì)算表明，α-In2Se3可能以能量簡(jiǎn)并的兩種晶體結(jié)構(gòu)存在—畸變閃鋅礦 (ZB’) 和畸變纖鋅礦 (WZ’) 結(jié)構(gòu)。然而，實(shí)驗(yàn)迄今僅觀測(cè)到閃鋅礦相結(jié)構(gòu)，纖鋅礦型α-In2Se3 相的存在及其鐵電特性尚未被證實(shí)。
 

　　針對(duì)這一挑戰(zhàn)，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國(guó)家研究中心胡衛(wèi)進(jìn)研究員聯(lián)合楊騰研究員及國(guó)內(nèi)外多家研究機(jī)構(gòu)，創(chuàng)新結(jié)合脈沖激光沉積和化學(xué)氣相沉積技術(shù)，在Si晶圓上實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)纖鋅礦型α-In2Se3薄膜的均勻制備。研究人員證實(shí)該材料為窄帶隙二維鐵電半導(dǎo)體 (居里溫度 > 620 K, 帶隙低至0.8 eV)，并展示了其在光控神經(jīng)形態(tài)計(jì)算領(lǐng)域中的應(yīng)用。近日，該成果以“2D ferroelectric narrow-bandgap semiconductor Wurtzite’ type α-In2Se3 and its silicon-compatible growth”為題, 發(fā)表于Nature Communications 上。
 

　　研究人員采用脈沖激光技術(shù)在硅襯底上制備非晶In2O3前驅(qū)體薄膜，結(jié)合化學(xué)氣相沉積技術(shù)原位硒化，突破傳統(tǒng)化學(xué)氣相沉積易導(dǎo)致多相混雜、難以大面積生長(zhǎng)的瓶頸，實(shí)現(xiàn)了厘米級(jí)纖鋅礦型α-In2Se3薄膜的均勻制備(圖1)。通過高分辨透射電鏡原子尺度表征，揭示其鐵電疇呈層狀有序排布，相鄰鐵電疇由中心對(duì)稱的非極性疇壁分隔，形成頭對(duì)頭或尾對(duì)尾的帶電疇壁結(jié)構(gòu)。其鐵電疇可通過外電場(chǎng)翻轉(zhuǎn)，并具備優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性 (圖2)。
 

　　有趣的是，光吸收性能表明纖鋅礦型α-In2Se3為間接帶隙半導(dǎo)體，其帶隙呈現(xiàn)顯著厚度依賴性：?jiǎn)螌訋都s為1.6 eV，厚膜帶隙降低至0.8 eV。理論計(jì)算表明，帶電疇壁可在導(dǎo)帶底引入額外的能帶是帶隙縮減的主導(dǎo)機(jī)制。得益于窄帶隙，材料展現(xiàn)出優(yōu)良的光吸收性能，其光吸收系數(shù)在紫外波段(244 nm)達(dá)1.3×106/cm，超越硅、砷化鎵等傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料(圖3)。
 

　　利用材料獨(dú)特的鐵電和光敏特性，研究人員進(jìn)一步構(gòu)建了基于Pt/WZ’-In2Se3/Pt結(jié)構(gòu)的面內(nèi)類神經(jīng)突觸器件。其I-V特性曲線展現(xiàn)和鐵電極化翻轉(zhuǎn)相關(guān)的瞬態(tài)電流峰，其翻轉(zhuǎn)電壓同掃描頻率呈指數(shù)關(guān)系。該電流峰源于鐵電疇翻轉(zhuǎn)及其驅(qū)動(dòng)的電荷注入與俘獲效應(yīng)(圖4)。通過電壓脈沖，研究人員可精準(zhǔn)調(diào)控器件電導(dǎo)態(tài)，以模擬生物神經(jīng)突觸的長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng)和長(zhǎng)時(shí)程抑制特性。進(jìn)一步利用可見光輻照，可顯著提升器件動(dòng)態(tài)電導(dǎo)范圍、線性度與對(duì)稱性，使其在神經(jīng)形態(tài)計(jì)算的監(jiān)督模式分類任務(wù)中實(shí)現(xiàn)92.3%的高識(shí)別準(zhǔn)確率 (圖5)。
 

　　論文第一作者為金屬所功能材料與器件研究部研究生江余璇，河北大學(xué)寧興坤副教授、金屬所研究生劉仁輝、山東大學(xué)宋克鵬研究員為論文共同第一作者。所外合作者包括沙特蘇丹王子大學(xué)Sajjad Ali 教授、華南師范大學(xué)樊貞研究員、山西大學(xué)秦成兵教授、浙江大學(xué)薛飛研究員、新加坡國(guó)立大學(xué)Lain-Jong Li 教授。
 

　　該研究工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金委、中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)、中國(guó)科學(xué)院國(guó)際合作計(jì)劃、遼寧省中央引導(dǎo)地方科技發(fā)展專項(xiàng)的資助。
 

圖1. 硅晶圓上纖鋅礦型α-In2Se3薄膜的原位輸運(yùn)生長(zhǎng)
 

圖2. 纖鋅礦型α-In2Se3的微觀結(jié)構(gòu)與鐵電性能表征
 

圖3. 纖鋅礦型α-In2Se3的光學(xué)性質(zhì)與電子能帶結(jié)構(gòu)
 

圖4. 纖鋅礦型α-In2Se3基兩端器件的I-V特性與阻變行為
 

圖5. 面向監(jiān)督學(xué)習(xí)的光控類神經(jīng)突觸器件性能