Bi2O2Se鐵電半導體中電可切換的極化
研究背景
在以資料為中心的驅動下，高內建度的鐵電電子元件被認為是半導體電子的前沿，可以滿足新興的功能多樣化，如非易失性存儲器、邏輯、人工大腦、神經形态傳感器等。然而，大多數鐵電體，如鈣钛礦或聚偏氟乙烯，都是電子遷移率較差的寬帶隙絕緣體，這對豐富的功能構成了挑戰。盡管基于半導體/鐵電異質結的器件概念提供了另一種選擇，但器件的極化切換過程發生在鐵電媒體内部，本質上不利于器件簡化、界面問題減少和溝道可控性。此外，在臨界厚度以下的鐵電體中存在介電/鐵電不穩定性或消失，阻礙了其工業小型化走向基本實體極限。在這些方面，2D層狀鐵電半導體很有吸引力，其中極化切換發生在溝道材料本身，提供了一種新的材料平台，可以推動電子元件走向簡單化和小型化。除了鐵電性與半導體性的協同結合外，2D層狀鐵電半導體還具有許多其他有趣的特征，例如超薄的幾何結構，沒有懸鍵和易于內建。有趣的是，由于自發晶格畸變導緻反演對稱性被打破，半導體Bi2O2Se被發現具有室溫鐵電性。此外，在原子極限下，空氣穩定的Bi2O2Se幾乎具有所有誘人的半導體性，例如中等帶隙(0.8 eV)，高載流子遷移率和前所未有的光學靈敏度。然而，實作鐵電半導體在功能電子領域的潛力，需要在器件級别操作上實作鐵電性和半導體性之間的互相作用，這是目前缺乏的，因為Bi2O2Se的鐵電性研究仍處于起步階段。
成果介紹
有鑒于此，香港城市大學Johnny C. Ho等報道了一種室溫2D層狀鐵電半導體Bi2O2Se，其厚度為7.3 nm(≈12層)，壓電系數(d33)為4.4±0.1 pm V-1。由于Bi2O2Se在室溫下的結構對稱性破缺，本文分别發現了偶極子的随機取向和電相關的極化。具體而言，本文研究了Bi2O2Se的鐵電性與半導體性之間的互相作用，揭示了其遲滞行為和存儲視窗(MW)的形成。利用來自Bi2O2Se的鐵電極化，本文制備的器件具有“智能”光響應可調性和優異的電子特性，例如，在VGS=±5 V時，具有高的開/關電流比>104和掃描範圍47%大MW。這些結果證明了Bi2O2Se中鐵電性與半導體性的協同結合，為将傳感、邏輯和存儲功能內建到單個材料系統中奠定了基礎，進而可以克服馮·諾依曼架構的瓶頸。文章以“Electrically Switchable Polarization in Bi2O2Se Ferroelectric Semiconductors”為題發表在頂級期刊Advanced Materials上。
