華科大翟天佑團隊在二維光電子器件領域取得重要進展

7月27日，材料學院新材料與器件研究中心團隊在《自然·通訊》（Nature Communications）上發表了關於二維光電子器件的突破性研究成果： Reconfigurable Two-Dimensional Optoelectronic Devices Enabled by Local Ferroelectric Polarization。材料學院2016級博士生呂亮為論文第一作者，翟天佑教授和諸葛福偉副教授為論文的通訊作者。

二維半導體材料因其特有的層狀結構，其表面無懸掛鍵，層間量子限域效應使其在原子層級厚度具有高遷移率，相對於經典的Si、Ge等支撐當前信息技術的核心半導體材料，在尺度進一步縮小的各種半導體器件中有巨大的應用潛力，包低功耗晶體管、存儲器及各種光電子器件等。然而，如何實現對二維半導體材料的可控摻雜成為阻礙器件功能化的一個關鍵障礙，目前研究中採用方法普遍存在不足（如化學方法可控性差，靜電柵控方法存在易失性問題等）。類比於集成電路和藍光LED等半導體產業的發展歷史，解決這一問題或許是攻克二維材料應用瓶頸的關鍵突破口。

鐵電材料在受到外加電場極化後對外加電場具有記憶性和保持性，將鐵電材料與二維半導體材料複合，依靠鐵電材料非易失性的剩餘極化場對二維半導體材料進行靜電摻雜，被認為是一種解決二維半導體摻雜問題的潛在方案。在該論文中，團隊利用鐵電聚合物P（VDF-TrFE）的非易失剩餘極化對二維材料進行摻雜並在此基礎上開展光電子器件優化設計研究。儘管前期已經有部分研究構建了二維-鐵電複合器件，但金屬接觸電極的屏蔽效應阻礙了鐵電極化對接觸區的摻雜效果，無法實現有效的電子或空穴摻雜反轉。在該研究中，團隊通過翻轉二維材料與金屬的接觸界面，使二維材料直接接觸鐵電材料並受其極化影響，成功實現了對MoS2、WSe2等典型二維半導體材料的電子和空穴摻雜，載流子濃度可通過調整極化電壓在大範圍內（107-1012cm-2）靈活控制，使這一方案真正能夠用於各種二維半導體的摻雜與器件集成。

研究中，團隊利用了原子力顯微鏡的探針來實現對器件區域內鐵電極化圖案的設計，空間解析度接近200nm。基於鐵電體極化可翻轉特性，團隊在單個器件上實現了不同構型的光電探測器，包括光電導器件、PN結型光電二極體以及NPN雙極光電晶體管等，並通過光電流成像清晰的證明了不同器件的工作原理差異。所構建的NPN雙極性光電晶體管器件表現出了最優的光電探測性能，響應度>10A/W的同時，可以保持<20μs的超快響應速度，是目前二維光電探測器中的最好水平。研究展示了鐵電極化調控方式在優化構建光電子器件方面的特殊優勢，而其特有的可重構、非易失特性等也賦予了單個器件多功能化，有助於進一步推動光電子器件工藝的微型化和集成化，有望進一步衍生出一種全新的器件結構以適用於不同的應用場景。

圖1. 利用探針調製的鐵電極化在二維半導體內控制電子和空穴的分布。

圖2.（a）研究所採用的探針極化方式示意圖，（b）基於極化圖案設計實現的各種構型的光電探測器件性能比較。（c）、（d）分別為在同一器件上構築PN二極體和NPN結型光電晶體管時所用的鐵電極化圖案。

該研究得到國家傑出青年基金，國家自然科學基金青年基金、湖北省創新研究群體等項目的大力支持。（來源：華中科技大學）

文章鏈接:https://www.nature.com/articles/s41467-019-11328-0

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