【材料】松山湖材料实验室林生晃研究员团队Adv. Mater.：α-In2Se3/Te异质结中空间分辨的光诱导铁电极化- 大数跨境

【材料】松山湖材料实验室林生晃研究员团队Adv. Mater.：α-In2Se3/Te异质结中空间分辨的光诱导铁电极化

X-MOL资讯

2024-08-13

导读：松山湖材料实验室林生晃研究员、沐浩然副研究员等人设计并制备了α-In2Se3/Te异质结，旨在实现空间分辨的多值光电存储，并探索其在非易失性光电流技术中的应用

铁电材料是一类具有自发极化并且能在外电场作用下极化取向翻转的功能材料，在磁光存储、传感、压电和光电技术等方面具有重要应用。其自发极化特性为电子器件提供了稳定的存储和转换功能。光诱导铁电极化（Light-induced ferroelectric poling state, LIPS）是铁电材料的一个重要特性，通过入射光可改变材料的极化状态，进而影响其电学和光学性质。LIPS结合了自发极化和半导体光电导的特点，展示出丰富的物理内涵。与传统电场和力场调控相比，利用光场来控制铁电畴的极化方向具有显著的优势。它不仅更加便捷，而且具有快速、精准及微观尺度表达的特点。这使得光场调控在铁电材料的应用中具有更大的潜力和灵活性。此外，LIPS还具备局部铁电极化和快速切换特性，因此在高密度信息存储领域具有广阔的应用潜力。

然而，以往研究主要依赖压电响应力显微镜（PFM）等手段，从材料表征层面研究铁电材料的LIPS。尽管这类方法能够检测LIPS，但对样品表面的不规则和污染物较为敏感，可能影响测量的准确性。同时，虽然实验条件下已经观测到了LIPS现象，但将其应用于实际的光电存储器件仍然面临诸多挑战。为了充分发挥光诱导铁电材料的潜力，研究人员需要亟待开发新型的表征手段和实用化的光电器件，以实现高密度、长时间、高稳定的光电存储技术。

层状α-In₂Se₃是一种独特的光诱导铁电材料，不仅具备稳定的室温铁电性、还具有面内面外耦合现象以及Rashba耦合等出色的电子特性，且铁电畴壁较小，能够提供空间局域的光电极化。有鉴于此，松山湖材料实验室林生晃研究员、沐浩然副研究员等人设计并制备了α-In₂Se₃/Te异质结，旨在实现空间分辨的多值光电存储，并探索其在非易失性光电流技术中的应用，以解决高密度、长时间且高稳定光电存储技术的难题。

图1. 极化前后 α-In₂Se₃异质结的空间分辨扫描光电流图及能带结构。（a）器件的三维示意图，（b）异质结的光学图像。（c-f）在自供电模式下，异质结在极化前后的空间分辨扫描光电流图。（g-i）零偏置电压下的 "强光写入和弱光读取" 机制。

在本工作中，研究人员通过能带设计，将α-In₂Se₃与窄带隙的p型范德瓦尔斯半导体Te相结合以形成Ⅰ型异质结。得益于Te的能带匹配和适当的载流子浓度，该异质结能有效抑制暗电流，并仅允许α-In₂Se₃产生的极化光电流通过。利用新型光电原子力显微镜（PFM）和开尔文探针力显微镜（KPFM），成功观察到α-In₂Se₃在光照下的极化状态变化，并通过光电流扫描技术清晰展示了不同空间位置的LIPS。结果表明，该异质结在光极化后的光电流增强高达初始状态的1000倍，并且这种增强的光电响应性具有非易失性，能够在超过一周后观测，依然保持稳定。

图2. 视觉传感器阵列中的光编码和解码过程。(a) 4 × 4 像素矩阵：其中的 α-In₂Se₃/Te 光电探测器阵列被设计成视觉传感器。该阵列可执行图像感应和记忆功能。(b) 光编码。(c) 光解码。(d) 探测器在不同时间零偏压光刺激（波长 520 nm，强度 11.3 μW cm^-2）下的响应。

此外，该器件在零偏压下亦能实现低暗电流和高光电流响应。研究人员通过“强光写入”和“弱光读取”提取光信息，在仅30 μm²的区域实现了168位的光信息读写。他们预期，通过进一步设计更小的受激光斑，有望进一步提升存储容量。这些创新成果充分展示了二维铁电半导体在光电探测器和高密度光电信息存储领域的巨大潜力，为其在实际应用中的广泛推广奠定坚实基础。

小结

该工作成功开发了一种可以将光诱导铁电极化状态进行可视化表达的异质结光电探器。并对异质结光电探测器进行了全面的光电测试，进一步探讨了α-In₂Se₃/Te中的光诱导极化态（LIPS）对器件性能的影响。研究结果表明，LIPS在提升器件性能方面发挥了关键作用。在极化饱和之后，我们观察到器件在自驱动模式下的光电流与初始状态相比提升了1000倍。此外，器件在室温自驱动模式下可实现对光信息的编码和解码，并展现出在单个器件中存储阵列级光学信息的潜力。而异质结器件在局部光脉冲位置展现出的多级光致发光特性，有望引入空间模复用。这为开发高度集成的光信息存储系统带来了广阔的前景。这一突破为光铁电体在光电探测器和信息处理领域的应用提供了新的可能性。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Spatially Resolved Light-Induced Ferroelectric Polarization in α-In₂Se₃/Te Heterojunctions

Kai Zhang, Haozhe Li, Haoran Mu, Yun Li, Pu Wang, Yu Wang, Tongsheng Chen, Jian Yuan, Weiqiang Chen, Wenzhi Yu, Guangyu Zhang, Qiaoliang Bao, Shenghuang Lin

Adv. Mater., 2024, DOI: 10.1002/adma.202405233

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