【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】二維鐵電半導(dǎo)體對于推動信息存儲、能量轉(zhuǎn)換和神經(jīng)形態(tài)計算領(lǐng)域的發(fā)展至關(guān)重要。其中，α-In2Se3憑借獨特的面內(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。理論計算表明，α-In2Se3可能以能量簡并的兩種晶體結(jié)構(gòu)存在—畸變閃鋅礦 (ZB’) 和畸變纖鋅礦 (WZ’) 結(jié)構(gòu)。然而，實驗迄今僅觀測到閃鋅礦相結(jié)構(gòu)，纖鋅礦型α-In2Se3 相的存在及其鐵電特性尚未被證實。
針對這一挑戰(zhàn)，中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家研究中心胡衛(wèi)進研究員聯(lián)合楊騰研究員及國內(nèi)外多家研究機構(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晶圓上實現(xiàn)厘米級纖鋅礦型α-In2Se3薄膜的均勻制備。研究人員證實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、難以大面積生長的瓶頸，實現(xiàn)了厘米級纖鋅礦型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稱的非極性疇壁分隔，形成頭對頭或尾對尾的帶電疇壁結(jié)構(gòu)。其鐵電疇可通過外電場翻轉(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：單層帶隙約為1.6 eV，厚膜帶隙降低至0.8 eV。理論計算表明，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)。
利用材料獨特的鐵電和光敏特性，研究人員進一步構(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，研究人員可精準調(diào)控器件電導(dǎo)態(tài)，以模擬生物神經(jīng)突觸的長時程增強和長時程抑制特性。進一步利用可見光輻照，可顯著提升器件動態(tài)電導(dǎo)范圍、線性度與對稱性，使其在神經(jīng)形態(tài)計算的監(jiān)督模式分類任務(wù)中實現(xiàn)92.3%的高識別準確率 (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、新加坡國立大學(xué)Lain-Jong Li 教授。
該研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金委、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項、中國科學(xué)院國際合作計劃、遼寧省中央引導(dǎo)地方科技發(fā)展專項的資助。
圖1. 硅晶圓上纖鋅礦型α-In2Se3薄膜的原位輸運生長
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
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