铁电器件的小型化为非易失性存储器、低功耗电子开关和超越现有硅基集成电路的新兴技术提供了前景。一类新兴的铁电体是基于具有纳米铁电体潜力的范德瓦尔斯(vdW)二维材料。文章报道了铁电半导体结(FSJs)，其中铁电vdW半导体α- In₂Se₃嵌入在两个单层石墨烯电极之间。在这些双端器件中，纳米厚的In₂Se₃层的铁电极化调制电子通过石墨烯/ In₂Se₃界面传输，导致由施加的电压和/或光控制的忆阻效应。在一定温度范围内和光激发下，研究了传导的基本机制，揭示了热离子注入、隧道效应和陷阱辅助输运。这些发现与FSJs的未来发展相关，其几何形状非常适合小型化和低功耗电子器件，通过设计vdW异质结构提供了扩展铁电体功能的机会。.
 
 
图1. 铁电半导体结，FSJ，(a)石墨烯/In₂Se₃/石墨烯结的光学图像(上)和示意图(下)及其能带图。比例尺:5µm。α- In₂Se₃层的厚度为t=30 nm。(b)相反铁电极化P的FSJ平衡示意图。虚线描绘了P = 0的潜在曲线。(c)、(d)低温(T=100 K)和室温(T=300 K)下的伏安|I|-V曲线显示逆时针循环。底层石墨烯接地，并且正/负电压施加到顶层石墨烯电极。|I|-Vs关于v的极性是不对称的，这表明存在两个非等效界面和更大的从底部到顶部石墨烯电极电子传输。(e)不同电压范围(T=300 K)的|I|-Vs。不同电压下I的时间依赖性。在极化电压=+1.5 V后，FSJ转换到较低的电阻状态。这可以通过负电压V =-1.5v(T = 300K)来消除。
 

图2. 铁电半导体结中的导电机制。(a) α-In₂Se₃层的厚度为t=30 nm的FSJ不同温度下的伏安曲线。插图: 在V=+1.5 V时I的T依赖性。(b) 不同电压下I对1/K_B T的Arrhenius图。电流的值是从(a)部分沿0到+1.5V的I-V迹线得到的。(c)活化能E_a-V。电流值是从第(a)部分沿0至+1.5伏的电流获得的。虚线显示了在V=0时E_a外推到肖特基势垒高度eϕB。阴影区域标识用于(i)热离子注入、(ii) 隧道效应和(iii)铁电极化切换的电压区域。
 

图3. 光下铁电半导体结。能量为hv=1.96 eV (λ=633 nm)和功率分为(a)P₀/10⁴、(b)P₀/10²和(c)P₀的暗(黑色)和激光(蓝色)下、t=30nm (T=300 K，P₀ = 10^-8W)的FSJ电流–电压（I-V）曲线。插图，顶部面板:从顶部石墨烯电极FSJ插图。插图，底部面板:有和没有光线的I-Vs图。
 

图4. 铁电半导体结的光响应。(a)、(b)不同功率P_i下的光响应(R)与电压(V)的关系，能量为hv=1.96 eV (λ=633 nm)的激光和30 nm (a)和200 nm (b)的FSJs(T = 300K)。(c), (d)电压不同时的 R与P_i 及t=30nm(c)和200nm(d) (T=300 K)时的FSJs。线与数据的匹配依赖于功率。(e) (i)光生电子和空穴及其被FSJ电场分离；(ii)通过陷阱捕获少数载流子(空穴);陷阱的碰撞电离。
 
 
图5. 铁电半导体结中光电流的调制。(a) 在不同电压V= +1，3 V，波长λ=633 nm、功率P₀ = 10^-7W、频率< 200 Hz的激光照射下电流的时间依赖性。(b)电流在P₀=10^-7 W和P0/10时的上升(τ_r)和衰减(τ_d)倍的V依赖关系。插图：对电流(点)的时间相关性进行指数拟合(线)，以获得在P₀ = 10^-7W和V= +3 V时的τ_r和τ_d 。 

       相关研究成果由诺丁汉大学物理与天文学院与中国科学院半导体研究所超晶格与微结构国家重点实验室Shihong Xie等人于2021年发表在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。

转自《石墨烯杂志》公众号