鐵電器件的小型化為非易失性存儲器、低功耗電子開關和超越現有硅基集成電路的新興技術提供了前景。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。文章報道了鐵電半導體結(FSJs)，其中鐵電vdW半導體α- In
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3嵌入在兩個單層石墨烯電極之間。在這些雙端器件中，納米厚的In
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3層的鐵電極化調制電子通過石墨烯/ In
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3界面傳輸，導致由施加的電壓和/或光控制的憶阻效應。在一定溫度范圍內和光激發下，研究了傳導的基本機制，揭示了熱離子注入、隧道效應和陷阱輔助輸運。這些發現與FSJs的未來發展相關，其幾何形狀非常適合小型化和低功耗電子器件，通過設計vdW異質結構提供了擴展鐵電體功能的機會。.
圖1. 鐵電半導體結，FSJ，(a)石墨烯/In
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3/石墨烯結的光學圖像(上)和示意圖(下)及其能帶圖。比例尺:5µm。α- In
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3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曲線顯示逆時針循環。底層石墨烯接地，并且正/負電壓施加到頂層石墨烯電極。|I|-Vs關于v的極性是不對稱的，這表明存在兩個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的時間依賴性。在極化電壓=+1.5 V后，FSJ轉換到較低的電阻狀態。這可以通過負電壓V =-1.5v(T = 300K)來消除。
圖2. 鐵電半導體結中的導電機制。(a) α-In
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3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I的T依賴性。(b) 不同電壓下I對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E
a外推到肖特基勢壘高度e?B。陰影區域標識用于(i)熱離子注入、(ii) 隧道效應和(iii)鐵電極化切換的電壓區域。
圖3. 光下鐵電半導體結。能量為hv=1.96 eV (λ=633 nm)和功率分為(a)P
0/10
4、(b)P
0/10
2和(c)P
0的暗(黑色)和激光(藍色)下、t=30nm (T=300 K，P
0 = 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. 鐵電半導體結的光響應。(a)、(b)不同功率P
i下的光響應(R)與電壓(V)的關系，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)電壓不同時的 R與P
i 及t=30nm(c)和200nm(d) (T=300 K)時的FSJs。線與數據的匹配依賴于功率。(e) (i)光生電子和空穴及其被FSJ電場分離；(ii)通過陷阱捕獲少數載流子(空穴);陷阱的碰撞電離。
圖5. 鐵電半導體結中光電流的調制。(a) 在不同電壓V= +1，3 V，波長λ=633 nm、功率P
0 = 10
-7W、頻率< 200 Hz的激光照射下電流的時間依賴性。(b)電流在P
0=10
-7 W和P0/10時的上升(τ
r)和衰減(τ
d)倍的V依賴關系。插圖：對電流(點)的時間相關性進行指數擬合(線)，以獲得在P
0 = 10
-7W和V= +3 V時的τ
r和τ
d 。
相關研究成果由諾丁漢大學物理與天文學院與中國科學院半導體研究所超晶格與微結構國家重點實驗室Shihong Xie等人于2021年發表在2D materials (https://doi.org/10.1088/2053-1583/ac1ada)上。原文：Ferroelectric semiconductor junctions based on graphene/In
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3/graphene van der Waals heterostructures。
轉自《石墨烯雜志》公眾號
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