苏州大学方亮、游陆课题组AFM：MoS2/CuInP2S6铁电范德华异质结构中的静电耦合效应研究

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苏州大学方亮、游陆课题组AFM：MoS2/CuInP2S6铁电范德华异质结构中的静电耦合效应研究

邃瞳科学云

2022-05-12

导读：本工作构建了基于的MoS2/CIPS二维vdW异质结，详细分析了两者间的静电耦合作用，强调了电荷注入在铁电vdW异质结构中的巨大贡献。

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第一作者：李平，Apoorva Chaturvedi

通讯作者：方亮教授，游陆教授

通讯单位：苏州大学

论文DOI：https://doi.org/10.1002/adfm.202201359

全文速览

近年来，铁电范德华 (vdW) 异质结因其具有二维和铁电材料的各自优异特点，正在成为一种新颖的低功率、多功能器件。长久以来，人们致力于理解极化束缚电荷产生的非易失性场效应对器件性能影响，对于异质结界面处的极化电荷和注入电荷之间的相互作用还未得到深入的研究。本文制备了半导体MoS₂和铁电CuInP₂S₆组成的vdW异质结，并通过对铁电畴、表面电势和光致发光特性表征，研究了极化翻转和静电耦合之间关联度。我们的研究结果表明伴随极化翻转的电荷注入效应是引发MoS₂的电学和光致发光特性的本质原因。反过来，MoS₂的光响应也会影响CuInP₂S₆的极化稳定性。这项工作从微观上阐明了vdW铁电-半导体异质结中的静电相互作用，有助于加快铁电场效应异质结的实际应用。

背景介绍

将铁电体作为在一个静电开关来主动调节二维半导体的载流子浓度，从而调控它们的电子传输、发光和光电特性是vdW铁电异质结研究中的主流方向。尽管在过去几年研究人员已对铁电场效应晶体管 (FeFET)、铁电隧道结 (FTJ) 和负电容 FET开展了一些研究，但仍然缺乏对 vdW 界面静电耦合的深入了解。这是由于这种界面效应取决于铁电体和vdW半导体之间界面的质量。随着二维vdW铁电体的发展，其表面无悬挂键的特性为深入探究极化电荷、注入电荷和载流子电荷之间的耦合作用提供了理想的平台，有望发现新的物理机制和开发新的应用方向。

本文亮点

1. 与传统氧化物铁电异质结相比，本文构筑了基于二维半导体MoS₂和CuInP₂S₆的vdW异质结构，由于2D材料表面无悬挂键，因此能有效避免表面态重构所造成的干扰，研究结果具有更广泛的意义。

2. 与以往的研究不同，本文验证了电荷注入在调控MoS₂的电子传输特性及光致发光特性中占据主导作用。

3.本文研究结果表明在低光子能量的激光的激发下，MoS₂具有调控CIPS的极化方向的能力。

图文解析

图1 实验装置和异质结构的一般表征。

要点

1、本文使用传统的干法转移和机械剥离的方法构建了MoS₂/CIPS异质结，并借助压电力、开尔文探针、拉曼和荧光光谱等多种显微成像表征手段，对铁电极化如何调控MoS₂的光电性质展开了深入的系统研究。图1a-c分别为典型器件结构及实验设置示意图、vdW结构的光学和形貌图像。

2、MoS₂在CIPS衬底上PL强度明显受到抑制，这表明该vdW异质结界面处的电荷转移过程影响了光生电子和空穴的辐射复合。同时MoS₂在不同衬底上的Raman光谱也表明该vdW异质结构的存在层间耦合。对比转移前MoS₂的拉曼峰，面内的模式的变化可忽略不计，而面外模式则发生了明显的波数变化（3-4 cm^-1）。图1d-e。

图2 使用MoS₂为电极翻转CIPS极化。

要点

1、极化翻转过程注入大量电荷；不同阶段的MoS₂形貌发生剧烈变化（图2a-c），但前后气泡的体积积分几乎无变化（图2j），同时对比KPFM图可知大量的注入电荷使得气泡内物质带电，在静电作用下，大气泡重新分布变成更小的气泡。其微观示意图如图2k-i所示。

2、CIPS的极化调控MoS₂的导电性；当CIPS极化朝下时，MoS₂表现为金属性，在表面施加负压可实现被覆盖的CIPS极化全部翻转，反之则不能。这与负注入电荷耗尽MoS₂的n型载流子的结果吻合。

图3 CIPS极化翻转调控MoS₂PL强度。

要点

1、随后使用相同的步骤翻转CIPS的极化，对不同状态下MoS₂的PL强度测量表明，向上极化/低表面电位对应于强PL强度，反之亦然。同时发现这种行为对于同一样品具有高度可重复性，并且在不同样品之间具有可重复性。

图4 PL光谱分析和提出的微观模型

要点

对每个阶段MoS₂的特征PL光谱进行了定量分析。表明（1）在初始状态下trion峰发射占主导，与MoS₂晶体的高电子密度一致；（2）在极化翻转到向上状态时，注入的负电荷超过正极化束缚电荷，静电场效应耗尽了MoS₂的n型载流子。此时中性激子发光峰占主导，并导致PL增强（图4e）。（3）当极化翻转回来时，PL 强度也由于极化未能全部朝下只能部分恢复（图3c）。

图5 通过预翻转极化验证电荷注入效应。

要点

1、 “非原位”方式调控PL。先使用探针在CIPS上写入回字型畴结构，再将双层MoS₂转移至畴表面。MoS₂的后续PL mapping显示出与上述相似的趋势，即注入负电荷的向上极化区域促进 PL，而注入正电荷的向下极化区域抑制PL（图 5g，h）。这一结果明确地证实了我们之前的假设：极化翻转期间注入的电荷主导了MoS₂/CIPS 异质结构中的静电场效应。

图6 光翻转CIPS的极化。

要点

1、MoS₂的光电响应调控CIPS的极化。在图6a - f中，使用不同的偏压两片独立的MoS₂中注入电荷，其中上半区域CIPS翻转到向上状态。这种翻转向上的极化状态在稳定数天后，在532 nm激光激发下，极化将恢复到原来的向下状态（图6e，f）。同时，翻转区域的表面电位也恢复到原始状态（图6i），表明注入的负电荷消失了。此现象可以通过图6j-k来解释，即极化翻转向上的本质是大量电子注入过度补偿了极化束缚电荷，由此产生的场 E*与内置电场E_bi竞争产生稳定向上状态。因此在光激发下，MoS₂的光生激子将自然地被注入电荷产生的电场E*吸引，从而驱动光生空穴以补偿注入的电子。最终，E*将不足以稳定向上极化状态，导致极化翻转。相比于先前类似研究，本项工作使用的是低能可见光子，而不是紫外光，这可能意味着纯 vdW 异质结中的电荷转移很容易。

总结与展望

本工作构建了基于MoS₂/CIPS的二维vdW异质结，详细分析了两者间的静电耦合作用，强调了电荷注入在铁电vdW异质结构中的巨大贡献。同时，通过提供直接的微观视图，有助于理解在一般环境条件下组装的相关器件中的“奇怪”滞后行为。值得注意的是，即使对于通过特殊环境控制或后处理制造的异质结构，表面吸附物也不能完全去除。此外，表面缺陷也可能为电荷注入陷阱提供间隙能态。先前对铁电体表面电荷注入的研究大多使用 AFM 尖端作为偏置电极，而本项研究表明大量的电荷注入，也可能发生在平板电极电容器中，因为畴成核引起的带电畴壁也会产生强局域电场从而利于电荷注入。此外，本研究还表明可以利用不同电荷源之间的静电相互作用来实现多功能应用，例如铁电极化的光学控制等。

作者介绍

游陆，江苏特聘教授，博士生导师，国家海外高层次青年人才项目入选者。2005年本科毕业于清华大学材料科学与工程系，2011年在新加坡南洋理工大学材料科学与工程学院获博士学位，2011-2019年在南洋理工大学做博士后和高级博士后研究工作。2019年9月入职苏州大学物理科学与技术学院，任特聘教授。近年来将传统多铁性材料中的长程序耦合的概念引入到新型铁电体系中，并从中发掘新颖及反常的耦合物理效应，集中在新型铁电材料的极化、晶格与光的相互耦合物理效应方面开展了一系列研究工作，取得了一批具有独特性和创新性的研究成果：包括范德华铁电体中的负轴向压电性、巨大剪切应变，以及巨大光致伸缩等新物理效应。主持国家自然科学基金面上项目、江苏省高校自然科学基础研究重大研究计划等项目。在Nature Materials、Nature Communications、Science Advances、Advanced Materials、Advanced Functional Materials等国际权威刊物发表论文90余篇，被引用4000余次，H-index 37 (Google scholar) 。课题组主页http://web.suda.edu.cn/lyou/

方亮，苏州大学教授，博士生导师。先后在香港浸会大学、新加坡南洋理工大学开展访问学者研究工作。长期从事电介质、硅基、二维材料的制备及其性质研究。主持国家自然科学基金面上及青年基金项目、江苏省自然科学基金、江苏省高校自然科学基础研究重大研究计划多项。在Science Advances、Nano Letters、Advanced Functional Materials、Small、Applied Physics Letters等国际权威刊物发表SCI收录论文100余篇，被引用3000余次。相关成果获得江苏省科技进步三等奖一次、苏州市科技进步三等奖一次。

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