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       鐵電器件的小型化為非易失性存儲(chǔ)器、低功耗電子開關(guān)和超越現(xiàn)有硅基集成電路的新興技術(shù)提供了前景。一類新興的鐵電體是基于具有納米鐵電體潛力的范德瓦爾斯(vdW)二維材料。文章報(bào)道了鐵電半導(dǎo)體結(jié)(FSJs)，其中鐵電vdW半導(dǎo)體α- In₂Se₃嵌入在兩個(gè)單層石墨烯電極之間。在這些雙端器件中，納米厚的In₂Se₃層的鐵電極化調(diào)制電子通過石墨烯/ In₂Se₃界面?zhèn)鬏敚瑢?dǎo)致由施加的電壓和/或光控制的憶阻效應(yīng)。在一定溫度范圍內(nèi)和光激發(fā)下，研究了傳導(dǎo)的基本機(jī)制，揭示了熱離子注入、隧道效應(yīng)和陷阱輔助輸運(yùn)。這些發(fā)現(xiàn)與FSJs的未來發(fā)展相關(guān)，其幾何形狀非常適合小型化和低功耗電子器件，通過設(shè)計(jì)vdW異質(zhì)結(jié)構(gòu)提供了擴(kuò)展鐵電體功能的機(jī)會(huì)。.
 
 
圖1. 鐵電半導(dǎo)體結(jié)，F(xiàn)SJ，(a)石墨烯/In₂Se₃/石墨烯結(jié)的光學(xué)圖像(上)和示意圖(下)及其能帶圖。比例尺:5µm。α- In₂Se₃層的厚度為t=30 nm。(b)相反鐵電極化P的FSJ平衡示意圖。虛線描繪了P = 0的潛在曲線。(c)、(d)低溫(T=100 K)和室溫(T=300 K)下的伏安|I|-V曲線顯示逆時(shí)針循環(huán)。底層石墨烯接地，并且正/負(fù)電壓施加到頂層石墨烯電極。|I|-Vs關(guān)于v的極性是不對(duì)稱的，這表明存在兩個(gè)非等效界面和更大的從底部到頂部石墨烯電極電子傳輸。(e)不同電壓范圍(T=300 K)的|I|-Vs。不同電壓下I的時(shí)間依賴性。在極化電壓=+1.5 V后，F(xiàn)SJ轉(zhuǎn)換到較低的電阻狀態(tài)。這可以通過負(fù)電壓V =-1.5v(T = 300K)來消除。
 

圖2. 鐵電半導(dǎo)體結(jié)中的導(dǎo)電機(jī)制。(a) α-In₂Se₃層的厚度為t=30 nm的FSJ不同溫度下的伏安曲線。插圖: 在V=+1.5 V時(shí)I的T依賴性。(b) 不同電壓下I對(duì)1/K_B T的Arrhenius圖。電流的值是從(a)部分沿0到+1.5V的I-V跡線得到的。(c)活化能E_a-V。電流值是從第(a)部分沿0至+1.5伏的電流獲得的。虛線顯示了在V=0時(shí)E_a外推到肖特基勢(shì)壘高度e?B。陰影區(qū)域標(biāo)識(shí)用于(i)熱離子注入、(ii) 隧道效應(yīng)和(iii)鐵電極化切換的電壓區(qū)域。
 

圖3. 光下鐵電半導(dǎo)體結(jié)。能量為hv=1.96 eV (λ=633 nm)和功率分為(a)P₀/10⁴、(b)P₀/10²和(c)P₀的暗(黑色)和激光(藍(lán)色)下、t=30nm (T=300 K，P₀ = 10^-8W)的FSJ電流–電壓（I-V）曲線。插圖，頂部面板:從頂部石墨烯電極FSJ插圖。插圖，底部面板:有和沒有光線的I-Vs圖。
 

圖4. 鐵電半導(dǎo)體結(jié)的光響應(yīng)。(a)、(b)不同功率P_i下的光響應(yīng)(R)與電壓(V)的關(guān)系，能量為hv=1.96 eV (λ=633 nm)的激光和30 nm (a)和200 nm (b)的FSJs(T = 300K)。(c), (d)電壓不同時(shí)的 R與P_i 及t=30nm(c)和200nm(d) (T=300 K)時(shí)的FSJs。線與數(shù)據(jù)的匹配依賴于功率。(e) (i)光生電子和空穴及其被FSJ電場(chǎng)分離；(ii)通過陷阱捕獲少數(shù)載流子(空穴);陷阱的碰撞電離。
 
 
圖5. 鐵電半導(dǎo)體結(jié)中光電流的調(diào)制。(a) 在不同電壓V= +1，3 V，波長(zhǎng)λ=633 nm、功率P₀ = 10^-7W、頻率< 200 Hz的激光照射下電流的時(shí)間依賴性。(b)電流在P₀=10^-7 W和P0/10時(shí)的上升(τ_r)和衰減(τ_d)倍的V依賴關(guān)系。插圖：對(duì)電流(點(diǎn))的時(shí)間相關(guān)性進(jìn)行指數(shù)擬合(線)，以獲得在P₀ = 10^-7W和V= +3 V時(shí)的τ_r和τ_d 。 

       相關(guān)研究成果由諾丁漢大學(xué)物理與天文學(xué)院與中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所超晶格與微結(jié)構(gòu)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室Shihong Xie等人于2021年發(fā)表在2D materials (https://doi.org/10.1088/2053-1583/ac1ada)上。原文：Ferroelectric semiconductor junctions based on graphene/In₂Se₃/graphene van der Waals heterostructures。

轉(zhuǎn)自《石墨烯雜志》公眾號(hào)