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研究背景
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二维范德华半导体异质结由具有不同能带结构的原子级超薄材料垂直堆叠而成，因其超薄结构、可调谐的带隙、较强的光-物质相互作用以及与硅基技术的兼容性，使得它们成为发展下一代电子和光电集成系统的重要候选材料。实现二维范德华半导体异质结在光电器件上的应用依赖于对其能带结构、载流子的输运和光学响应特性进行有效的调控。然而，常规的二维范德华异质结的能带结构类型和导带/价带的带阶值是固化的，极大地限制了它们在多功能、一体化光电器件上的应用。尽管，通过外场、应力、掺杂缺陷工程可以调控二维范德华异质结的能带类型和光电性质，但是这些方法要么会破坏二维材料本征物理属性，要么会增加器件构筑的复杂性。因此，发展同时具有非易失性和非破坏性的能带调控方式成为近年来该领域研究的热点和难点问题。
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成果介绍
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有鉴于此，近日中国计量大学光学与电子科技学院舒海波教授团队提出了一种新颖的能带调控策略：
即构建由原子级超薄铁电体和半导体组成的二维范德华铁电半导体异质结（VFSHs）。利用铁电半导体的非易失性局域电场，有效调节了VFSHs的能带排列和偏移，展现出了多达36种潜在的能带排列转变路径。
以铁电极化驱动II型到III型的可逆能带转变为判据，筛选了二维SnS/In
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3
异质结，通过控制铁电极化的方向，从而实现了导电性能从高阻态到低阻态的可逆转换，获得了高达10
12
%的巨隧道电阻比。此外，二维SnS/In
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VFSH不仅展示了宽带光响应，还表现出优异的偏振灵敏度，其二向色性比可达10.3，使其成为一体化光电器件架构的理想候选材料。通过铁电极化驱动的局部内建电场，这些器件能够同时感知、存储和处理光信号，为未来人工视觉系统中光学突触器件的应用提供了新的科学视角和技术路径。该文章以“
Band Alignment Engineering in 2D Ferroelectric Van der Waals Heterostructures for All-In-One Optoelectronic Architecture
”为题发表在国际学术期刊《Advanced Electronic Materials》上。
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研究亮点
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(1) 提出了利用二维范德华铁电/半导体异质结构（VFSHs）构建一体化光电器件架构的策略。由原子级超薄铁电体（如In
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X
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）和传统半导体（如TMDCs、BP、IV-VI MCs）垂直堆叠形成二维VFSHs。利用铁电极化产生的非易失性局域电场在界面处调节，实现可逆的能带转变和偏移，使得二维VFSHs的电导率和光响应特性在两种极化状态下都表现出显著的差异。此外，二维VFSHs的形成极大地扩宽了光吸收范围，降低了面内对称性，有助于实现不同铁电极化状态下的偏振敏感光电探测，为构建模拟人类视觉系统的一体化光电架构奠定了基础。
(2) 通过计算和实例验证，展示了铁电极化驱动的二维VFSHs在能带排列调控方面的重要性。研究结果表明，铁电极化可以有效地调节异质结构的能带排列，并展示了36种潜在的能带对准转变路径。以SnS/In
2
Se
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VFSH为例，通过铁电极化驱动从II型到III型的能带对准转变，实现了可逆的高阻-低阻态转换，获得了高达获得了高达10
12
%的巨隧道电阻比。
(3) 实验进一步展示了SnS/In
2
Se
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VFSH的光电特性。具有动量空间匹配的能带结构和面内各向异性，使其表现出从近红外到紫外区域的宽带光响应，并展示了高达10.3的优异偏振灵敏度。通过铁电极化驱动的局域内建电场实现了同时感知，存储和处理光信号，
为构建一体化光电集成系统提供了新思路
。
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图文解读
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图1
利用二维范德华铁电/半导体异质结构建一体化光电器件的基本框架。
图2
二维范德华铁电/半导体异质结中铁电极化取向依赖的能带排列。
图3
二维SnS/In
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Se
3
范德华异质结在两种极化状态(P
up
和P
dn
)下的电子性质。
图4
二维SnS/In
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Se
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范德华异质结电输运特性的铁电极化调控。
图5
二维SnS/In
2
Se
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范德华异质结的铁电可调光响应和偏振灵敏度。
图6
基于二维铁电/半导体异质结一体化光电器件架构的图像识别示意图。
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