首页
产品中心
技术百科
客户案例
新闻中心
关于我们

客户成果丨南科大李江宇、黎长建，湘潭大学谢淑红，中科院深圳先进院钟高阔《AFM》：用于超低功耗场效应晶体管的二维铁电金属有机框架

二维铁电体开辟了非易失性存储器和计算设备的新领域，而金属有机框架（MOF）为设计和优化铁电性能提供了巨大的可能性。为将MOF铁电栅极与半导体沟道集成为超低功耗铁电场效应晶体管（FeFET）提供了新的策略，目前还没有实验证明二维MOF具有铁电性。因此，非常期望能探索出可替代的2D铁电MOF用于潜在FeFET应用。

南方科技大学李江宇教授、黎长建副教授&湘潭大学谢淑红教授&中科院深圳先进院钟高阔副教授课题组团队成功地制备出了二维铁电{CuIIL2}n-MOF纳米片，并作为铁电栅极和MoS2沟道集成为超低功耗铁电场效应晶体管。相关成果以“2D Ferroelectric Metal-Organic Frameworks for Ultralow Power Field Effect Transistors”为题, 发表在《Advanced Functional Materials》上。

图1. {CuIIL2}n-MOF晶体的结构表征。a) {CuIIL2}n-MOF的晶体结构模型。b) 合成的{CuIIL2}n-MOF晶体的SEM图像，左下角为晶体层状边缘放大图。c) 合成的{CuIIL2}n-MOF的XRD图谱。d){CuIIL2}n-MOF的傅里叶变换红外光谱。

通过简单的化学合成方法制备了的{CuIIL2}n-MOF单晶，块体的{CuIIL2}n-MOF晶体拥有较大的面积和分层结构，这为后续剥离成二维的{CuIIL2}n-MOF纳米片提供了可能性。

图2. 60 nm二维{CuIIL2}n-MOF片的AFM形貌图。c) 纳米片的局部PFM振幅-电压和相位-电压曲线。d) 纳米片的SHG极坐标图。e) 纳米片的P-V电滞回线。f) 纳米片疲劳循环测试。

剥离的{CuIIL2}n-MOF纳米片具有10 μm的大尺寸，并且薄至7 nm，为后续器件应用提供了条件。对于全面的铁电表征，通过PFM测试证明了极化的可翻转特性，显示了迟滞特性和蝶形曲线。测量的s-out和p-out的 SHG极坐标图都很好地拟合了m点群对称性，与块体晶体一致。通过PUND测量P-V电滞回线，剩余极化为14.2 μC·cm-2，几乎与块体相同。矫顽场为33.3 V/cm，高于块体，这在PFM开关中也能看到。在10⁶次开关循环后，任一方向的剩余极化均未显示出明显的疲劳，并且在100 s内也显示出良好的保持力。表明{CuIIL2}n-MOF晶体通过机械剥离得到的二维{CuIIL2}n-MOF纳米片后仍表现出良好的铁电性。

图3.{CuIIL2}n-MOF/MoS2 FeFET的器件性能。a) 器件结构的示意图。b) 器件的光学显微镜图像。c) 器件在各种栅极电压下的输出特性曲线。d、e) 室温下的转移特性曲线。f) 不同扫描电压下存储窗口的大小。

通过干法转移制备的以二维{CuIIL2}n-MOF纳米片作为栅极和MoS2作为沟道的FeFET，器件为典型的n型晶体管，当栅极电压从−10 V变化到10 V时，IDS增加了五个数量级。在移除VGS = 15 V后再次测量输出曲线，即：VGS = 0 V时，大部分输出电流仍然存在，证明了{CuIIL2}n-MOF的剩余极化导致了FeFET器件的非易失性。在传输曲线测量中，当开关范围为−5至5 V时，其低于矫顽电压获得无矫顽场的传输曲线，当扫描范围从−10 V变化到10 V时，在转移曲线中观察到迟滞现象，表明铁电开关的效果。随着扫描范围进一步增加至−35 V至35 V，滞后窗口大幅增加。我们使用电压差（在图3e中表示为Vf和Vb）定义存储器窗口，电流电平为10−9 A。不同扫描范围下的Vfor和Vback，显示了不断增大的存储器窗口（高达8.3 V）。顺时针的迟滞回线和高度可调的存储器窗口表明，记忆效应是由于介质栅/半导体界面存在铁电辅助的电荷捕获和去捕获过程。增加的记忆窗口是因为在MoS2/{CuIIL2}n-MOF界面处的更多电荷参与了记忆窗口的形成。此外，在相同的扫描范围内，多次测量也没有观察到明显的偏移，证明了其在固定工作电压范围内的稳定性。转移特性显示器件开关比约为107，关断状态在100 fA左右，在大多数介质中表现优异。低关态电流大大降低了待机功率，对各种2D FET的基准测试使得的二维铁电MOF FeFET成为未来计算技术的有前途的候选者。