硒化铁的合成与性能研究论文

中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心纳米物理与器件重点实验室高鸿钧院士带领的研究团队多年来一直致力于新型二维原子晶体材料的制备、物性调控及原型器件构筑等方面的研究，并取得了一系列重要研究成果。例如他们成功实现了黑磷的电子掺杂，并构筑了黑磷栅控二极管、逻辑反相器、双向整流器等一系列平面器件（Nano Lett. 16, 6870 (2016)），进一步利用交联PMMA作为顶栅，SiO2作为背栅，通过双栅调控成功实现了黑磷的单极性（N型或P型）场效应晶体管（2D Mater. 4, 025056 (2017)）。 近期，该研究组博士生吴良妹（已毕业）和鲍丽宏副研究员等针对InSe和传统栅介质（如SiO2、Al2O3、HfO2等）的界面特性不兼容所诱导的额外载流子散射过程从而造成InSe的场效应晶体管的迁移率、开关比严重下降的关键科学问题，利用二维原子晶体异质结堆叠技术，将InSe作为沟道材料、六方氮化硼（h-BN）作为背栅、石墨 （graphite）作为栅电极，成功构筑了InSe/h-BN/graphite异质结。对该异质结进行高分辨扫描透射显微镜表征发现InSe与h-BN之间具有原子级锐利的界面特性（与中国科学院大学周武教授合作）。这一原子级锐利的界面特性极大的降低了载流子在沟道与栅介质界面处的散射，使得以该异质结作为核心单元构筑的场效应晶体管表现出高达1146 cm 2 /Vs的电子迁移率，~10 10 的电流开关比。进一步利用该异质结构筑的逻辑反相电路的电压增益高达。利用二维原子晶体材料的良好的力学柔韧性，将该异质结放置于柔性衬底，在柔性衬底施加高达~2 %的应变时，相应的场效应晶体管的器件性能并没有发生明显退化，显示了该异质结在柔性电子学领域的潜在应用。以上结果以“InSe/h-BN/graphiete heterostructures for high-performance 2D electronics and flexible electronics”为题发表于 Nano Res. 13, 1127-1132 (2020)上。 基于InSe与h-BN间的原子级锐利界面特性，该研究组联合培养博士生刘丽和鲍丽宏副研究员等进一步利用有机透明铁电薄膜作为栅介质成功构筑了高性能InSe光电探测器。与传统栅介质相比，铁电栅介质具有极高的相对介电常数（~10 3 ），利用其自发极化特性，有望深度耗尽半导体沟道中的剩余载流子，从而极大的抑制光电探测器的暗电流，提高光电探测器的光开关比、光响应率等性能。他们使用透明铁电P（VDF-TrFE）共聚物薄膜作为顶栅介质、半透明铝膜作为顶栅电极、InSe作为沟道、h-BN作为衬底，制作了InSe光电探测器（图1）。 多层InSe沟道在铁电P（VDF-TrFE）调制下的转移曲线中存在一个~ 40 V的逆时针存储窗口，这是由铁电极化转换过程引起的。沟道电流（IDS）随着顶栅电压（Vtg）增加而增加，表明InSe沟道为典型的n型导电，电流的开/关比高达~10 8 （图2 a-b）。InSe 晶体管在铁电P（VDF-TrFE）薄膜三种极化状态调制下的输出特性表明载流子在极化向上状态下完全耗尽，其沟道电流IDS最小，使其暗电流低至~ 10 -14 A，而且沟道电流主要来自于光生载流子的贡献（图2c）。 而对于自然状态和极化向下状态，沟道电流不仅来源于光激发载流子，热离子/隧穿载流子也有很大的贡献（图3）。 图3. 零栅极电压下，多层InSe光电晶体管在铁电P（VDF-TrFE）层的三种极化状态下的光响应特性。（a-c）在VDS = 0 V下具有三种不同铁电极化状态的InSe光电晶体管的截面图。（d-f）在三种状态下，黑暗和光照时光电晶体管的IDS-VDS特性。（g-i）铁电栅控的InSe光电探测器在三种状态下的光开关特性。 铁电顶栅处于极化向上状态时，光电流Iph与激光功率之间呈幂律关系：Iph ，表明光生载流子的效率与吸收的光子通量非线性相关，也反映了复合过程（陷阱态）所产生的光生载流子的损耗。在激光功率 mW/cm -2 下，光响应率高达14250 AW -1 ，探测率高达 1013 Jones，比之前的文献报道提高了两个数量级。InSe光电探测器的光电流开关的上升时间（tr）和下降时间（tf）分别为600 μs和 ms，均优于之前报道的基于其他二维原子晶体的铁电栅控光电探测器（图4）。 该工作提出了一种利用铁电栅介质来调控二维原子晶体光晶体管的载流子电子输运的新方法，有效抑制了其暗电流，成功解决了当前二维原子晶体光探测器的光开关比和光响应率小的瓶颈问题，为未来基于二维原子晶体光电探测器的开发提供了一条新途径。 相关结果以“Ferroelectric-Gated InSe Photodetectors with High On/Off Ratios and Photoresponsivity”为题发表在Nano Lett. 20, 6666-6673 (2020)上。刘丽（湖南大学联合培养博士生）为第一作者，鲍丽宏副研究员和湖南大学秦志辉教授为共同联系作者。该工作的合作者包括美国Vanderbilt University的Sokrates T. Pantelides教授等。该工作得到了 科技 部、基金委以及中国科学院的资助。

根据莱斯大学物理学家和合作者的两项研究，一些铁基超导体可以从调谐中受益。这项研究的首席理论物理学家、莱斯大学的齐苗思(Qimiao Si)说：我们的研究工作展示了一种新的设计原理，可以调整量子材料，使其在更高的温度下获得非常规的超导性。赖斯量子材料中心(Rice Center for Quantum Materials, RCQM)主任、物理学和天文学教授哈里·c·维斯(Harry C. and Olga K. Wiess)和奥尔加·k·维斯(Olga K. Wiess)表示：我们展示了一种不同寻常的电子秩序（向列线性(nematicity)）是如何提高特定轨道上电子配对产生超导的可能性，通过调整材料来增强这种效果，可以在更高的温度下培养超导性，电流加热电线，这是由于无数电子的碰撞，每次碰撞都会损失能量。

博科园-科学科普：美国电网每年约有6%的电力因这种加热或电阻而损耗。相比之下，超导体中的电子成对流动毫不费力，没有阻力或热量。工程师们长期以来一直梦想利用超导性来进行节能计算、电网等，但电子是出了名的独来独去者，它是费米子量子家族中研究最多的成员。费米子是如此反对彼此共享空间，以至于人们知道它们会暂时消失。由于它们奇特的量子性质，诱使电子形成对通常需要极端的条件，比如高压或比深空更冷的温度。非常规超导体（发生在铁硒这样材料中的那种）是不同的；由于物理学家无法完全解释的原因，非传统超导体中的电子在相对较高温度下形成，在过去的40年里，这种行为已经被记录在许多资料中。虽然确切的机制仍然是个谜，但像Si这样的物理学家已经学会预测非常规超导体在某些情况下的行为。

在新的研究中，Si, Rice研究生Haoyu胡和合作者们使用了“轨道选择配对”理论模型来解释先前硒化铁的实验结果，并预测它和其他物质在其他情况下的行为。研究小组成员包括莱斯大学研究生郝宇胡、中国人民大学容宇、亚利桑那州立大学Emilian Nica和洛斯阿拉莫斯国家实验室朱建新。在模型中，某些原子壳层中的电子比其他原子壳层中的电子更容易形成对，一种直观的方法是把原子轨道想象成高速公路上的车道。汽车在不同车道上以不同的速度行驶，研究人员希望那些在左车道上的人跑得最快，但情况并非总是如此。当许多汽车行驶在高速公路上时，其他车道的速度可能会更快。非传统超导体中的电子就像拥挤的高速公路上的汽车。它们必须互相避开，最终可能会被困在一条车道上。

电子秩序的调整是一种引导电子进入特定轨道的方法，就像高速公路上的锥形物和障碍物引导汽车进入特定车道一样。铁基高温超导体是在2008年被发现，Si和合作者提出了最早的理论之一来解释它们：将它们冷却到一个量子临界点附近会产生明显的相关电子效应，这种效应产生的行为只能通过将电子看作一个集体系统而不是许多单独的物体来理解。这两篇发表在《物理评论快报》(PRL)和《物理评论B》(PRB)上的新论文，是基于Si和Yu以及Nica在莱斯大学博士后和研究生期间进行的研究。2013年Si和Yu的研究表明，轨道选择行为可能导致碱性铁硒化物同时表现出金属与绝缘体的矛盾特征。在2017年，Si, Nica和他的同事们证明了硒化铁有可能具有一种超导状态，在这种状态下，与亚电子层中一个轨道相关的电子对与同一亚电子层中一个密切相关的轨道电子对是非常不同的。

PRL论文的第一作者Yu说：在目前的研究中，我们发现在高于超导跃迁温度的正常状态下，向列相序极大地提高了轨道的选择性。在向列系中，一个方向的阶数比另一个方向的阶数高。例如在一盒生意大利面中，面条是纵向排列的，但如果从垂直方向看，面条是无序的。为了分析向列相电子序存在下的超导性质，Yu、Si和同事们分析了“超导间隙”，这是一种比较向列相方向和垂直方向上电子对断裂相关能量成本的方法，计算显示出很大的差别。PRB论文的第一作者表示：研究结果为最近报道非常惊人的结果提供了一个自然理解，这些结果是基于扫描隧道显微镜对硒化铁超导间隙的艰苦测量得出。这项研究揭示了轨道选择配对和电子指令之间的相互作用，这似乎是铁基超导体和其他强相关量子材料中非常规超导性的重要组成部分。

量子计算机长期以来一直是个激动人心的概念，它能够将数据存储在同时具有两种状态的量子比特上，但想要实现量子计算的应用却一直被搁置。

可以通过光辐射的方式改变，这样子可以改变它的构造，改变其特性。