上海交通大学/香港理工大学AFM：铁电半导体α-In2Se3的原位扫描微波阻抗显微镜（sMIM）研究

α-In₂Se₃作为一种特殊的范德华层状材料，兼具表面自钝化、半导体性、铁电性，有望在存储、逻辑、传感与光电等领域得到丰富的应用，并且有助于缓解传统铁电材料器件中的界面态与可靠性问题，受到研究者的广泛关注。然而，其耦合的铁电性与半导体特性导致其电学特性与传统铁电体或半导体存在较大差异。

近日，上海交通大学王林团队与香港理工大学Loh Kian Ping教授在国际知名学术期刊《Advanced Functional Materials》上发表题为“A Scanning Microwave Impedance Microscopy Study of α-In₂Se₃ Ferroelectric Semiconductor”的研究论文。该论文从薄膜、MOS结构、晶体管等三个层面对α-In₂Se₃铁电半导体展开研究，深入探索了其铁电性与半导体性耦合的独特电子特性。

论文主要采用扫描微波阻抗显微镜（sMIM）进行高空间分辨率的材料与器件原位分析，并结合压电力显微镜（PFM）与多物理场仿真等表征分析技术，揭示了α-In₂Se₃中铁电性与半导体性耦合所表现出的特殊电学性质与器件特点。α-In₂Se₃薄膜的sMIM-C信号呈现出依赖于厚度的类反比关系，同时受其内部自由载流子分布的影响。同一衬底上，不同极化方向的α-In₂Se₃铁电畴表现出差异化的sMIM电容（sMIM-C）信号，表明了材料电导率的极化调控特性。有别于传统近绝缘的铁电材料，基于α-In₂Se₃的MOS结构表现出典型的n型半导体C-V曲线特性，同时产生了由铁电极化翻转所引起的电压回滞。针对基于α-In₂Se₃的铁电半导体晶体管（FeSFET），采用原位 sMIM 技术以可视化、定量化的方式揭示了受栅电压调控的沟道阻态变化过程。这项工作有望加深对范德华铁电半导体物性，尤其是电学性质的理解，为其电子器件应用提供新的视角。

图1 、α-In₂Se₃的材料特性与基于PFM的铁电性表征。图片来源：AFM

图2、sMIM测试原理，sMIM信号与材料电导率的关系仿真， α-In₂Se₃片层的sMIM-C信号探测，及其与片层厚度的依赖关系。图片来源：AFM

图3、sMIM-C信号对α-In₂Se₃片层不同极化畴的识别探测，及α-In₂Se₃ MOS结构的C-V特性。图片来源：AFM

图4、α-In₂Se₃铁电半导体晶体管电学特性及典型突触行为模拟。图片来源：AFM

图5、对α-In₂Se₃突触晶体管的原位sMIM表征，揭示了其沟道阻态的变化规律（更多数据请参见文章Supporting Information）。图片来源：AFM

文章信息：Wang, Lin, et al. "A Scanning Microwave Impedance Microscopy Study of α‐In2Se3 Ferroelectric Semiconductor." Advanced Functional Materials (2024): 2316583.

DOI：10.1002/adfm.202316583

第一作者：王林，陈瀚

通讯作者：Loh Kian Ping 教授，王林 副教授