【儀表網 研發快訊】二維鐵電半導體對于推動信息存儲、能量轉換和神經形態計算領域的發展至關重要。其中，α-In2Se3憑借獨特的面內-面外鐵電極化耦合特性而備受關注：這種耦合效應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構存在—畸變閃鋅礦 (ZB’) 和畸變纖鋅礦 (WZ’) 結構。然而，實驗迄今僅觀測到閃鋅礦相結構，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，中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家研究中心胡衛進研究員聯合楊騰研究員及國內外多家研究機構，創新結合脈沖激光沉積和化學氣相沉積技術，在Si晶圓上實現厘米級纖鋅礦型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體 (居里溫度 > 620 K, 帶隙低至0.8 eV)，并展示了其在光控神經形態計算領域中的應用。近日，該成果以“2D ferroelectric narrow-bandgap semiconductor Wurtzite’ type α-In2Se3 and its silicon-compatible growth”為題, 發表于Nature Communications 上。
研究人員采用脈沖激光技術在硅襯底上制備非晶In2O3前驅體薄膜，結合化學氣相沉積技術原位硒化，突破傳統化學氣相沉積易導致多相混雜、難以大面積生長的瓶頸，實現了厘米級纖鋅礦型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構。其鐵電疇可通過外電場翻轉，并具備優異的高溫穩定性 (圖2)。
有趣的是，光吸收性能表明纖鋅礦型α-In2Se3為間接帶隙半導體，其帶隙呈現顯著厚度依賴性：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，帶電疇壁可在導帶底引入額外的能帶是帶隙縮減的主導機制。得益于窄帶隙，材料展現出優良的光吸收性能，其光吸收系數在紫外波段(244 nm)達1.3×106/cm，超越硅、砷化鎵等傳統半導體材料(圖3)。
利用材料獨特的鐵電和光敏特性，研究人員進一步構建了基于Pt/WZ’-In2Se3/Pt結構的面內類神經突觸器件。其I-V特性曲線展現和鐵電極化翻轉相關的瞬態電流峰，其翻轉電壓同掃描頻率呈指數關系。該電流峰源于鐵電疇翻轉及其驅動的電荷注入與俘獲效應(圖4)。通過電壓脈沖，研究人員可精準調控器件電導態，以模擬生物神經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電導范圍、線性度與對稱性，使其在神經形態計算的監督模式分類任務中實現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，河北大學寧興坤副教授、金屬所研究生劉仁輝、山東大學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Sajjad Ali 教授、華南師范大學樊貞研究員、山西大學秦成兵教授、浙江大學薛飛研究員、新加坡國立大學Lain-Jong Li 教授。
該研究工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金委、中國科學院戰略性先導科技專項、中國科學院國際合作計劃、遼寧省中央引導地方科技發展專項的資助。
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的微觀結構與鐵電性能表征
圖3. 纖鋅礦型α-In2Se3的光學性質與電子能帶結構
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. 面向監督學習的光控類神經突觸器件性能
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