鐵電半導體材料因其可切換的自發極化特性和非易失性存儲能力，對于開發新型低功耗電子器件和非易失性記憶體具有巨大的潛力。這些材料能夠通過外部電場來調控其宏觀極化特性，從而影響載流子傳輸性能。然而，要在同一薄膜材料中同時實現強大的鐵電性質和優異的半導體特性卻是一個巨大的挑戰。錫（Sn）基鈣鈦礦半導體近年來受到了廣泛關注，這主要歸因于它們的p型特性、較低的載流子有效質量以及高遷移率。但是，由于這類材料通常具有較高的載流子濃度，內部電場無法被有效屏蔽，導致鐵電極化減弱或消失，使得在Sn基鈣鈦礦中觀察到強鐵電性變得極為困難。
近年來，研究人員一直在探索各種方法以期能在保持良好半導體性能的同時引入顯著的鐵電性。傳統上，鐵電材料依據帶隙能量分為絕緣體（如Hf0.5Zr0.5O2, BaTiO3等）和半導體（如α-In2Se3, β-CuGaO2, SnS等）。當帶隙大于3eV時，材料一般被視為絕緣體，適用于介電應用；而較小帶隙的鐵電半導體則因為附加的非易失性鐵電場促進了載流子傳輸能力，適合用于低功耗電子學和非易失性記憶體。然而要制備出既能表現出強大鐵電性又能維持出色半導體特性的薄膜，仍然是一個亟待解決的問題。特別是對于Sn基鈣鈦礦來說，盡管其作為半導體表現出了良好的前景，但如何賦予其穩定的鐵電性一直是該領域的一個瓶頸。此外，隨著摻雜濃度的增加，雖然電阻會降低且鐵電性得以保持，但一旦載流子濃度超過臨界閾值，就會完全屏蔽鐵電極化，導致失去鐵電對稱性破缺這一基本特征。因此找到一種方法來使Sn基鈣鈦礦半導體材料具備穩健的鐵電性，對于推動相關電子器件的應用和發展至關重要。
針對上述問題，復旦大學的研究團隊利用澤攸科技JS系列臺階儀進行了深入研究，該團隊通過向Sn基鈣鈦礦（93.3 mol%(FA0.86Cs0.14)SnI3 和 6.7 mol% PEA2SnI4）半導體薄膜中摻入2-甲基苯并咪唑（MBI），成功地將這些薄膜轉換為鐵電半導體薄膜。相關成果以“Emergence of ferroelectricity in Sn-based perovskite semiconductor films by iminazole molecular reconfiguration”為題發表在《Nature Communications》期刊上，原文鏈接：DOI:10.1038/s41467-024-55113-0
論文的主要研究內容聚焦于通過分子重構的方法，在Sn基鈣鈦礦半導體薄膜中引入強鐵電性，從而實現兼具優異半導體特性和顯著鐵電性的材料。研究團隊通過向Sn基鈣鈦礦（93.3 mol%(FA0.86Cs0.14)SnI3 和 6.7 mol% PEA2SnI4）中摻入2-甲基苯并咪唑（MBI）分子，成功地將這些薄膜轉換為鐵電半導體薄膜。MBI分子的引入不僅增強了材料的結晶度，還通過形成強氫鍵導致了空間對稱性的破缺，從而使正負電荷中心不再重合，進而誘導了強烈的鐵電極化。
實驗結果顯示，摻雜MBI后的Sn基鈣鈦礦薄膜表現出明顯的壓電響應和“蝴蝶”型滯回曲線，證明了其具備穩健的鐵電特性。此外，通過第二諧波產生（SHG）光譜技術進一步確認了空間對稱性的破壞。相比于原始薄膜，MBI摻雜的薄膜在極化-電場（P-E）回路測試中展示了高達23.2 μC/cm²的剩余極化強度（Pr），這是所有MBI摻雜濃度中的最高值，表明其具有出色的鐵電性能。
圖 Sn基鈣鈦礦薄膜的PFM、SHG及其鐵電性能
為了深入理解鐵電性產生的物理 機制，研究團隊進行了密度泛函理論（DFT）計算，并結合X射線光電子能譜（XPS）分析，揭示了MBI分子引入后，PEA分子與MBI之間形成的N-H…N氫鍵如何扭曲和旋轉PEA分子，最終導致正負電荷中心的錯位。這種錯位不僅打破了中心反演對稱性，還引起了能量帶的分裂，即Rashba效應，從而進一步強化了鐵電性。
基于上述研究成果，團隊制備了基于Sn基鐵電鈣鈦礦半導體的場效應晶體管（FeFETs）。這些晶體管表現出顯著的鐵電滯后現象，亞閾值擺幅（SS）低至67 mV/dec，遠低于傳統器件，并接近理論擴散極限。此外，晶體管的記憶窗口從0.02 V增加到0.85 V，顯示了增強的記憶能力。在實際應用測試中，FeFETs能夠在施加寫入電壓后保持極化狀態超過1000秒，驗證了其非易失性記憶體的應用潛力。綜上，該研究不僅提供了一種有效的策略來實現Sn基鈣鈦礦半導體薄膜的鐵電性，而且通過系統性的實驗和理論分析，揭示了鐵電性產生的微觀機制，為開發新型低功耗電子器件和非易失性記憶體奠定了堅實的基礎。這項工作對于推動鐵電半導體材料的研究及其在高性能電子器件中的應用具有重要意義。
下圖為澤攸科技JS系列臺階儀：
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