Bi2O2Se铁电半导体中电可切换的极化
研究背景
在以数据为中心的驱动下，高集成度的铁电电子元件被认为是半导体电子的前沿，可以满足新兴的功能多样化，如非易失性存储器、逻辑、人工大脑、神经形态传感器等。然而，大多数铁电体，如钙钛矿或聚偏氟乙烯，都是电子迁移率较差的宽带隙绝缘体，这对丰富的功能构成了挑战。尽管基于半导体/铁电异质结的器件概念提供了另一种选择，但器件的极化切换过程发生在铁电介质内部，本质上不利于器件简化、界面问题减少和沟道可控性。此外，在临界厚度以下的铁电体中存在介电/铁电不稳定性或消失，阻碍了其工业小型化走向基本物理极限。在这些方面，2D层状铁电半导体很有吸引力，其中极化切换发生在沟道材料本身，提供了一种新的材料平台，可以推动电子元件走向简单化和小型化。除了铁电性与半导体性的协同结合外，2D层状铁电半导体还具有许多其他有趣的特征，例如超薄的几何结构，没有悬键和易于集成。有趣的是，由于自发晶格畸变导致反演对称性被打破，半导体Bi2O2Se被发现具有室温铁电性。此外，在原子极限下，空气稳定的Bi2O2Se几乎具有所有诱人的半导体性，例如中等带隙(0.8 eV)，高载流子迁移率和前所未有的光学灵敏度。然而，实现铁电半导体在功能电子领域的潜力，需要在器件级别操作上实现铁电性和半导体性之间的相互作用，这是目前缺乏的，因为Bi2O2Se的铁电性研究仍处于起步阶段。
成果介绍
有鉴于此，香港城市大学Johnny C. Ho等报道了一种室温2D层状铁电半导体Bi2O2Se，其厚度为7.3 nm(≈12层)，压电系数(d33)为4.4±0.1 pm V-1。由于Bi2O2Se在室温下的结构对称性破缺，本文分别发现了偶极子的随机取向和电相关的极化。具体而言，本文研究了Bi2O2Se的铁电性与半导体性之间的相互作用，揭示了其迟滞行为和存储窗口(MW)的形成。利用来自Bi2O2Se的铁电极化，本文制备的器件具有“智能”光响应可调性和优异的电子特性，例如，在VGS=±5 V时，具有高的开/关电流比>104和扫描范围47%大MW。这些结果证明了Bi2O2Se中铁电性与半导体性的协同结合，为将传感、逻辑和存储功能集成到单个材料系统中奠定了基础，从而可以克服冯·诺依曼架构的瓶颈。文章以“Electrically Switchable Polarization in Bi2O2Se Ferroelectric Semiconductors”为题发表在顶级期刊Advanced Materials上。
