【1】  研究背景

纤锌矿结构钪铝氮（ScAlN）是一种最近发现的新型铁电材料体系，其具有大剩余极化值（> 100-140 μC/cm²）、超高相变温度（>1000 °C）、超宽禁带宽度（4.8-5.2 eV）、出色热稳定性（>1100 ℃）和和相对较大介电常数（∼21），这些性能优势使其在非易失性存储器、铁电场效应管、铁电电容器以及高电子迁移率晶体管等新型电子器件中具有巨大应用潜力。为实现以上应用，亟需实现大尺寸、高质量和低成本的ScAlN薄膜可控制备，但仍艰巨挑战然。另一方面，研究表明，将传统铁电材料与二维半导体结合形成异质结并利用界面耦合效应，可实现对二维半导体电学和光学等特性的可控调控，为开发高性能非易失性光电器件提供了全新路径。然而，基于ScAlN铁电/二维半导体异质结的光学和电学特性以及器件研究仍较少。

【2】  研究工作简介

鉴于此，本工作开展基于磁控共溅射法的大尺寸、高质量ScAlN薄膜可控制备，以及ScAlN极化特性对二维半导体MoS₂光学和电学特性的非易失性调控研究。结果表明：利用磁控溅射法制备的晶圆尺寸（≥2英寸）ScAlN薄膜具有超光滑表面（≤1.7 Å）、超低矫顽力场（≤0.04 V/nm），以及c畴取向外延生长模式。通过将单层MoS₂与ScAlN结合形成异质结，实现了对MoS₂中光致发光光谱强度和峰位的非易失性调控，这归因于ScAlN铁电极化诱导MoS₂中激子到三激子非易失性切换过程。此外，制备了基于ScAlN/MoS₂异质结的铁电场效应晶体管，该器件具有高电流开关比（≥4.3 × 106）和超低亚阈值摆幅（≤4.17 mV dec1），超过了超过了之前报道的大多数ScAlN/半导体异质结器件。相关研究成果以“Nonvolatile Control of Optical and Electronic Responses in Two-Dimensional MoS₂ via Ferroelectric ScAlN Thin Films”为题，发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》期刊上。

【3】  工作的亮点、新颖性和意义

（1）利用磁控共溅射法成功制备了大尺寸、高质量、高性能ScAlN铁电薄膜，该方法具有成本低、灵活度高、以及与CMOS工艺相兼容等优势。

（2）利用ScAlN铁电薄膜，实现了对单层半导体MoS₂的光致发光强度和峰位的高效、非易失性调控，该调控机制归因于ScAlN铁电极化诱导单层MoS₂中激子与三激子之间的非易失性切换。

（3）成功制备了基于MoS₂/ScAlN异质结的高性能铁电场效应管，该器件表现出优异电学性能：电流开关比≥ 4.3×10⁶、亚阈值摆幅≤ 4.17 mV/dec。

【4】  论文信息

作者：Zhengxian Zha, Xinyi Hou, Hu Wang, Haoran Li, Yongjiang Li, Jianxun Dai, Xue Han, Kun Liu, Huolin Huang, Changsen Sun, Junfeng Gao, Lujun Pan, Dawei Li.

文章题目：Nonvolatile Control of Optical and Electronic Responses in Two-Dimensional MoS₂ via Ferroelectric ScAlN Thin Films

期刊名：ACS Applied Materials & Interfaces

年份：2025

DOI号：10.1021/acsami.5c02986

全文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.5c02986

撰稿人：李大卫、查正贤