泽攸科技JS系列台阶仪在Sn基钙钛矿铁电半导体薄膜厚度表征中的应用

铁电半导体材料因其可切换的自发极化特性和非易失性存储能力，对于开发新型低功耗电子器件和非易失性记忆体具有巨大的潜力。这些材料能够通过外部电场来调控其宏观极化特性，从而影响载流子传输性能。然而，要在同一薄膜材料中同时实现强大的铁电性质和优异的半导体特性却是一个巨大的挑战。锡（Sn）基钙钛矿半导体近年来受到了广泛关注，这主要归因于它们的p型特性、较低的载流子有效质量以及高迁移率。但是，由于这类材料通常具有较高的载流子浓度，内部电场无法被有效屏蔽，导致铁电极化减弱或消失，使得在Sn基钙钛矿中观察到强铁电性变得极为困难。

近年来，研究人员一直在探索各种方法以期能在保持良好半导体性能的同时引入显著的铁电性。传统上，铁电材料依据带隙能量分为绝缘体（如Hf0.5Zr0.5O2, BaTiO3等）和半导体（如α-In2Se3, β-CuGaO2, SnS等）。当带隙大于3eV时，材料一般被视为绝缘体，适用于介电应用；而较小带隙的铁电半导体则因为附加的非易失性铁电场促进了载流子传输能力，适合用于低功耗电子学和非易失性记忆体。然而要制备出既能表现出强大铁电性又能维持出色半导体特性的薄膜，仍然是一个亟待解决的问题。特别是对于Sn基钙钛矿来说，尽管其作为半导体表现出了良好的前景，但如何赋予其稳定的铁电性一直是该领域的一个瓶颈。此外，随着掺杂浓度的增加，虽然电阻会降低且铁电性得以保持，但一旦载流子浓度超过临界阈值，就会完全屏蔽铁电极化，导致失去铁电对称性破缺这一基本特征。因此找到一种方法来使Sn基钙钛矿半导体材料具备稳健的铁电性，对于推动相关电子器件的应用和发展至关重要。

针对上述问题，复旦大学的研究团队利用泽攸科技JS系列台阶仪进行了深入研究，该团队通过向Sn基钙钛矿（93.3 mol%(FA0.86Cs0.14)SnI3 和 6.7 mol% PEA2SnI4）半导体薄膜中掺入2-甲基苯并咪唑（MBI），成功地将这些薄膜转换为铁电半导体薄膜。相关成果以“Emergence of ferroelectricity in Sn-based perovskite semiconductor films by iminazole molecular reconfiguration”为题发表在《Nature Communications》期刊上，原文链接：DOI:10.1038/s41467-024-55113-0

论文的主要研究内容聚焦于通过分子重构的方法，在Sn基钙钛矿半导体薄膜中引入强铁电性，从而实现兼具优异半导体特性和显著铁电性的材料。研究团队通过向Sn基钙钛矿（93.3 mol%(FA0.86Cs0.14)SnI3 和 6.7 mol% PEA2SnI4）中掺入2-甲基苯并咪唑（MBI）分子，成功地将这些薄膜转换为铁电半导体薄膜。MBI分子的引入不仅增强了材料的结晶度，还通过形成强氢键导致了空间对称性的破缺，从而使正负电荷中心不再重合，进而诱导了强烈的铁电极化。

实验结果显示，掺杂MBI后的Sn基钙钛矿薄膜表现出明显的压电响应和“蝴蝶”型滞回曲线，证明了其具备稳健的铁电特性。此外，通过第二谐波产生（SHG）光谱技术进一步确认了空间对称性的破坏。相比于原始薄膜，MBI掺杂的薄膜在极化-电场（P-E）回路测试中展示了高达23.2 μC/cm²的剩余极化强度（Pr），这是所有MBI掺杂浓度中的最高值，表明其具有出色的铁电性能。

图 Sn基钙钛矿薄膜的PFM、SHG及其铁电性能

为了深入理解铁电性产生的物理 机制，研究团队进行了密度泛函理论（DFT）计算，并结合X射线光电子能谱（XPS）分析，揭示了MBI分子引入后，PEA分子与MBI之间形成的N-H…N氢键如何扭曲和旋转PEA分子，最终导致正负电荷中心的错位。这种错位不仅打破了中心反演对称性，还引起了能量带的分裂，即Rashba效应，从而进一步强化了铁电性。

基于上述研究成果，团队制备了基于Sn基铁电钙钛矿半导体的场效应晶体管（FeFETs）。这些晶体管表现出显著的铁电滞后现象，亚阈值摆幅（SS）低至67 mV/dec，远低于传统器件，并接近理论扩散极限。此外，晶体管的记忆窗口从0.02 V增加到0.85 V，显示了增强的记忆能力。在实际应用测试中，FeFETs能够在施加写入电压后保持极化状态超过1000秒，验证了其非易失性记忆体的应用潜力。综上，该研究不仅提供了一种有效的策略来实现Sn基钙钛矿半导体薄膜的铁电性，而且通过系统性的实验和理论分析，揭示了铁电性产生的微观机制，为开发新型低功耗电子器件和非易失性记忆体奠定了坚实的基础。这项工作对于推动铁电半导体材料的研究及其在高性能电子器件中的应用具有重要意义。

下图为泽攸科技JS系列台阶仪：