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成果簡介

平面內(nèi)各向異性二維（2D）半導(dǎo)體由于其各向異性特性而受到廣泛關(guān)注，為設(shè)計功能電子器件開辟了道路。目前，已報道的平面內(nèi)各向異性半導(dǎo)體主要依賴于晶格各向異性。

基于此，中科院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院成會明院士和清華大學(xué)深圳國際研究生院劉碧錄教授（共同通訊作者）等人報道了一種器件，通過在二維半導(dǎo)體AgCrP₂S₆（ACPS）中耦合各向異性離子遷移和電門控來實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)調(diào)諧。掃描隧道電鏡（STEM）和偏振拉曼光譜結(jié)果證實(shí)了ACPS的面內(nèi)各向異性。ACPS的光致發(fā)光和電傳輸特性，表明它是一種半導(dǎo)體。ACPS中的Ag離子被證明是可移動的，從兩端的電流-電壓關(guān)系（I-V）測量中產(chǎn)生電導(dǎo)的各向異性調(diào)節(jié)。

ACPS器件在傳輸曲線中產(chǎn)生與V_g相關(guān)的滯后，因?yàn)锳g離子可能與傳輸電子耦合，導(dǎo)致離子-電子在三端模式下共調(diào)制。此外，隨著V_ds的增加，Ag離子的各向異性遷移可以定向地改變與V_ds相關(guān)的轉(zhuǎn)移特性中的滯后窗口。因此，通過結(jié)合本征銀離子沿ACPS a軸和b軸的各向異性遷移和半導(dǎo)體特性來調(diào)節(jié)ACPS的電學(xué)行為。本工作為設(shè)計具有平面內(nèi)離子各向異性耦合功能的器件提供了見解。

相關(guān)工作以《Tunable in-plane conductance anisotropy in 2D semiconductive AgCrP₂S₆ by ion-electron co-modulations》為題發(fā)表在最新一期《Science Advances》上。

圖文解讀

作者展示了ACPS中基于面內(nèi)離子各向異性的離子-電子共調(diào)制設(shè)計原理圖，它是一種具有層狀結(jié)構(gòu)的單斜晶體。晶格參數(shù)為a=5.9 ?，b=10.6 ?，c=6.7 ?，α=90°，β=106°，γ=90°。剝落后ACPS薄片的原子力顯微鏡（AFM）圖顯示，得到了6、13、20、25、32、72 nm不同厚度的ACPS薄片。HADDF-STEM圖像清晰地顯示了ACPS的層狀結(jié)構(gòu)，特別是（001）晶面的面間距為0.67 nm。ACPS的電傳輸是柵極可調(diào)的，表明ACPS具有半導(dǎo)體特性。結(jié)果表明，半導(dǎo)體ACPS是層狀結(jié)構(gòu)。

圖1. 2D半導(dǎo)體ACPS的結(jié)構(gòu)表征

銀（Ag）沿a軸呈連續(xù)排列，沿b軸呈斷續(xù)排列，排列差異使Ag原子在ab平面上排列成一維（1D）帶狀。ACPS薄片沿[103]軸的HADDF-STEM圖像顯示，ACPS的面內(nèi)原子排列。Ag原子形成1D帶狀，由[CrPS]單元分開，沿ACPS帶的軸向延伸。基于STEM和偏振拉曼光譜的表征，證實(shí)了ACPS的面內(nèi)各向異性。

圖2. ACPS的平面內(nèi)結(jié)構(gòu)和光學(xué)各向異性

作者在ACPS薄片中分別沿a軸和b軸制作了兩個器件。當(dāng)電壓從0增加到1.5 V時，電流逐漸增大。當(dāng)電壓從1.5 V回到0 V時，與偏置相關(guān)的滯后很小。相反，在相同的I-V測量下，沿軸的器件顯示了電流變化的兩個步驟。第一個電流變化在0~1 V的范圍內(nèi)，類似于器件沿b軸的電流變化。當(dāng)電壓超過1 V時，沿a軸的器件比沿b軸的器件產(chǎn)生更大的電流增長。在1.5~0 V的反向掃描過程中，形成了一個逆時針偏置相關(guān)的磁滯，大于沿b軸的磁滯。結(jié)果表明，由于各向異性結(jié)構(gòu)，Ag離子沿a軸的遷移比沿b軸的遷移更易出現(xiàn)。

在電場的刺激下，Ag離子在左電極上聚集，Ag離子的分布發(fā)生了變化，與EDS線掃描結(jié)果一致。Ag、Cr、P、S沿時間軸的能譜圖表明，只有Ag離子的分布逐漸變化，也證明了Ag離子的遷移能力。因此，ACPS中電導(dǎo)的定向調(diào)諧是基于銀離子的各向異性排列實(shí)現(xiàn)的。

圖3. ACPS中的平面內(nèi)各向異性離子遷移

根據(jù)ACPS器件沿軸的傳遞曲線，可清楚地觀察到與V_g相關(guān)的大滯后，同時V_g相關(guān)的遲滯也出現(xiàn)在V_g的不同掃描范圍和b軸。溫度變化對V_g相關(guān)遲滯窗口的影響很大，表明V_g相關(guān)遲滯的產(chǎn)生可能與帶電離子激活引起的電子捕獲有關(guān)。當(dāng)V_ds低于1 V時，在V_g為80 V附近顏色變化劇烈，與V_ds相關(guān)的遲滯較大。當(dāng)V_ds大于1 V時，Ag離子開始移動，減小了V_g相關(guān)的滯后，因?yàn)锳g離子遷移用于調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)移曲線的開/關(guān)比。此外，Ag離子遷移和結(jié)構(gòu)各向異性實(shí)現(xiàn)了V_g相關(guān)遲滯的定向調(diào)諧。電學(xué)測量表明，ACPS器件的電學(xué)行為是可調(diào)諧的。它結(jié)合了平面內(nèi)離子各向異性和半導(dǎo)體性，在三端模式下實(shí)現(xiàn)了可調(diào)的平面內(nèi)電導(dǎo)各向異性。

圖4.各向異性半導(dǎo)體ACPS中的離子-電子共調(diào)制

文獻(xiàn)信息

Tunable in-plane conductance anisotropy in 2D semiconductive AgCrP₂S₆ by ion-electron co-modulations. Sci. Adv., 2025

原創(chuàng)文章，作者：zhan1，如若轉(zhuǎn)載，請注明來源華算科技，注明出處：http://www.zzhhcy.com/index.php/2025/01/13/79ed418d95/

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