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二维Bi2Se3光电功能器件的设计与应变调控

批准号:
52103304
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
马闻达
依托单位:
学科分类:
材料多功能集成与器件
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
马闻达

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
应变工程是调控与优化二维半导体器件性能的重要途径之一,其中压电极化调控可满足电子功能器件的力电光耦合和多功能化的应用需求。单层或少层的二维材料相比块体材料更易于实现压电极化和应变调控。二维材料压电极化的研究尚处于起步阶段,本项目拟基于高质量且厚度可控的二维Bi2Se3单晶,实现压电调制的多功能器件,研究Bi2Se3的电学、光学、力学性质与晶格各向异性、拓扑绝缘性质之间的关系,进而利用应变工程的压电极化效应对载流子传输进行调控,实现力电光耦合。同时,从理论和实验上探索Bi2Se3的压电极化调控拓扑绝缘体中狄拉克表面态变化,并结合二维Bi2Se3中压电极化和拓扑绝缘性两者的调控优势,为设计和构建高性能Bi2Se3晶体管、光电探测器,应变传感器和压电纳米发电机等多种功能集于一身的新型光电子器件提供理论依据与技术参考。
英文摘要
Strain engineering is one of the important approaches to regulate and optimize the performance of two-dimensional (2D) semiconductor devices, in which the piezoelectric polarization regulation can meet the needs of the force-electricity-light coupling and multifunction of electronic devices. 2D materials with single or few layers are easier to achieve the piezoelectric polarization and strain regulation than bulk materials. The research of the piezoelectric polarization of 2D materials is still in its infancy. Based on 2D Bi2Se3 single crystals of high quality and controllable thickness, this project is intended to realize piezoelectric regulated multifunctional devices. The relationship between the electrical, optical and mechanical properties and the lattice anisotropy, topological insulator properties of the Bi2Se3 can be studied. Then, the piezoelectric polarization effect of strain engineering can regulate the carrier transport and realize the force-electricity-light coupling. Meanwhile, the Dirac surface states of the topological insulator regulated by the piezoelectric polarization can be explored theoretically and experimentally. Combined the advantages of the piezoelectric polarization and the topological insulator, it is expected to provide scientific basis and technical reference for the design and fabrication of the novel optoelectronic devices including high performance Bi2Se3 transistors, photodetectors, strain sensors and piezoelectric nanogenerators etc.
应变工程是调控与优化二维半导体器件性能的重要途径之一。现如今,二维材料应变工程的研究尚处于起步阶段,亟需探索新型二维材料应变工程调控,以满足电子功能器件的力电耦合和多功能化的应用需求。近年来,尽管忆阻器的研究呈爆炸性增长,但在可调谐性、功能性和异质集成性方面还需更多的改进。在此,我们首次发现了二维BiSe具有记忆电阻性质,二维BiSe单晶可做忆阻器,并实现了应变工程调控。BiSe器件在不同条件下表现出非易失性双极性开关、易失性开关和电双稳态行为。这些不同记忆行为可能与材料中本征Bi离子浓度大小有关,并直接影响到形成导电细丝的能力。此外,外部机械应变被应用于二维BiSe器件的调控。BiSe忆阻器显示了较大的高低阻态开关比∼104,各阻态稳定性可保持∼104秒。二维BiSe的忆阻开关行为显示了其在柔性存储器和功能集成器件中的潜在应用。此外,我发现BiSe器件最开始表现出一次写入多次读取(WORM)记忆效应,表现出不可擦除的数据记忆特性。这一观察结果可以归因于Bi2插层的存在,导电细丝很容易在富Bi的结构中形成,在反向电压Reset过程中,细丝不容易断开,出现不能擦除的现象。很少有文献试图解释WORM行为的恢复,因为该长时记忆不能被电子重写。针对这个问题,我首次发现应变是一种可以恢复BiSe纳米片WORM记忆效应的新方法。施加压缩应变(和释放)可以使BiSe从低阻态恢复高阻态。基于应变调控的WORM器件在高低阻态保持方面都表现出卓越的稳定性,高低电流没有明显的衰减,可保持104秒。我们推测压缩应变(和释放)可能会破坏Bi细丝,克服这种不能擦除的现象。这种应变可调控的WORM记忆转换,使二维BiSe器件更加适用于柔性衬底的非易失性存储器。该工作成果发表于Nano Research, 2023, 16(2): 3188-3194. (IF: 9.6)。
二维CdS多功能器件及其力电光耦合机制研究
  • 批准号:
    52563028
  • 项目类别:
    地区科学基金项目
  • 资助金额:
    32.00万元
  • 批准年份:
    2025
  • 负责人:
    马闻达
  • 依托单位:
国内基金
海外基金