鐵電半導(dǎo)體材料因其可切換的自發(fā)極化特性和非易失性存儲能力，對于開發(fā)新型低功耗電子器件和非易失性記憶體具有巨大的潛力。這些材料能夠通過外部電場來調(diào)控其宏觀極化特性，從而影響載流子傳輸性能。然而，要在同一薄膜材料中同時實現(xiàn)強大的鐵電性質(zhì)和優(yōu)異的半導(dǎo)體特性卻是一個巨大的挑戰(zhàn)。錫（Sn）基鈣鈦礦半導(dǎo)體近年來受到了廣泛關(guān)注，這主要歸因于它們的p型特性、較低的載流子有效質(zhì)量以及高遷移率。但是，由于這類材料通常具有較高的載流子濃度，內(nèi)部電場無法被有效屏蔽，導(dǎo)致鐵電極化減弱或消失，使得在Sn基鈣鈦礦中觀察到強鐵電性變得極為困難。
近年來，研究人員一直在探索各種方法以期能在保持良好半導(dǎo)體性能的同時引入顯著的鐵電性。傳統(tǒng)上，鐵電材料依據(jù)帶隙能量分為絕緣體（如Hf0.5Zr0.5O2, BaTiO3等）和半導(dǎo)體（如α-In2Se3, β-CuGaO2, SnS等）。當(dāng)帶隙大于3eV時，材料一般被視為絕緣體，適用于介電應(yīng)用；而較小帶隙的鐵電半導(dǎo)體則因為附加的非易失性鐵電場促進(jìn)了載流子傳輸能力，適合用于低功耗電子學(xué)和非易失性記憶體。然而要制備出既能表現(xiàn)出強大鐵電性又能維持出色半導(dǎo)體特性的薄膜，仍然是一個亟待解決的問題。特別是對于Sn基鈣鈦礦來說，盡管其作為半導(dǎo)體表現(xiàn)出了良好的前景，但如何賦予其穩(wěn)定的鐵電性一直是該領(lǐng)域的一個瓶頸。此外，隨著摻雜濃度的增加，雖然電阻會降低且鐵電性得以保持，但一旦載流子濃度超過臨界閾值，就會完全屏蔽鐵電極化，導(dǎo)致失去鐵電對稱性破缺這一基本特征。因此找到一種方法來使Sn基鈣鈦礦半導(dǎo)體材料具備穩(wěn)健的鐵電性，對于推動相關(guān)電子器件的應(yīng)用和發(fā)展至關(guān)重要。
針對上述問題，復(fù)旦大學(xué)的研究團隊利用澤攸科技JS系列臺階儀進(jìn)行了深入研究，該團隊通過向Sn基鈣鈦礦（93.3 mol%(FA0.86Cs0.14)SnI3 和 6.7 mol% PEA2SnI4）半導(dǎo)體薄膜中摻入2-甲基苯并咪唑（MBI），成功地將這些薄膜轉(zhuǎn)換為鐵電半導(dǎo)體薄膜。相關(guān)成果以“Emergence of ferroelectricity in Sn-based perovskite semiconductor films by iminazole molecular reconfiguration”為題發(fā)表在《Nature Communications》期刊上，原文鏈接：DOI:10.1038/s41467-024-55113-0
論文的主要研究內(nèi)容聚焦于通過分子重構(gòu)的方法，在Sn基鈣鈦礦半導(dǎo)體薄膜中引入強鐵電性，從而實現(xiàn)兼具優(yōu)異半導(dǎo)體特性和顯著鐵電性的材料。研究團隊通過向Sn基鈣鈦礦（93.3 mol%(FA0.86Cs0.14)SnI3 和 6.7 mol% PEA2SnI4）中摻入2-甲基苯并咪唑（MBI）分子，成功地將這些薄膜轉(zhuǎn)換為鐵電半導(dǎo)體薄膜。MBI分子的引入不僅增強了材料的結(jié)晶度，還通過形成強氫鍵導(dǎo)致了空間對稱性的破缺，從而使正負(fù)電荷中心不再重合，進(jìn)而誘導(dǎo)了強烈的鐵電極化。
實驗結(jié)果顯示，摻雜MBI后的Sn基鈣鈦礦薄膜表現(xiàn)出明顯的壓電響應(yīng)和“蝴蝶”型滯回曲線，證明了其具備穩(wěn)健的鐵電特性。此外，通過第二諧波產(chǎn)生（SHG）光譜技術(shù)進(jìn)一步確認(rèn)了空間對稱性的破壞。相比于原始薄膜，MBI摻雜的薄膜在極化-電場（P-E）回路測試中展示了高達(dá)23.2 μC/cm²的剩余極化強度（Pr），這是所有MBI摻雜濃度中的最高值，表明其具有出色的鐵電性能。
圖 Sn基鈣鈦礦薄膜的PFM、SHG及其鐵電性能
為了深入理解鐵電性產(chǎn)生的物理 機制，研究團隊進(jìn)行了密度泛函理論（DFT）計算，并結(jié)合X射線光電子能譜（XPS）分析，揭示了MBI分子引入后，PEA分子與MBI之間形成的N-H…N氫鍵如何扭曲和旋轉(zhuǎn)PEA分子，最終導(dǎo)致正負(fù)電荷中心的錯位。這種錯位不僅打破了中心反演對稱性，還引起了能量帶的分裂，即Rashba效應(yīng)，從而進(jìn)一步強化了鐵電性。
基于上述研究成果，團隊制備了基于Sn基鐵電鈣鈦礦半導(dǎo)體的場效應(yīng)晶體管（FeFETs）。這些晶體管表現(xiàn)出顯著的鐵電滯后現(xiàn)象，亞閾值擺幅（SS）低至67 mV/dec，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)器件，并接近理論擴散極限。此外，晶體管的記憶窗口從0.02 V增加到0.85 V，顯示了增強的記憶能力。在實際應(yīng)用測試中，F(xiàn)eFETs能夠在施加寫入電壓后保持極化狀態(tài)超過1000秒，驗證了其非易失性記憶體的應(yīng)用潛力。綜上，該研究不僅提供了一種有效的策略來實現(xiàn)Sn基鈣鈦礦半導(dǎo)體薄膜的鐵電性，而且通過系統(tǒng)性的實驗和理論分析，揭示了鐵電性產(chǎn)生的微觀機制，為開發(fā)新型低功耗電子器件和非易失性記憶體奠定了堅實的基礎(chǔ)。這項工作對于推動鐵電半導(dǎo)體材料的研究及其在高性能電子器件中的應(yīng)用具有重要意義。
下圖為澤攸科技JS系列臺階儀：
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