锡基钙钛矿铁电半导体Nature子刊！关键数据支撑——Lake Shore低温探针台自动变温、精准测量！

铁电半导体因其可切换极化、铁电场调控以及半导体输运特性等优势，在铁电晶体管和非易失性存储器领域具有广阔的应用前景。然而，制备同时具有强铁电性和半导体特性的薄膜颇具挑战。近年来，锡基钙钛矿半导体因其 p 型特性和较低的载流子有效质量备受关注，但具有强铁电性的锡基钙钛矿半导体却鲜有报道。高载流子浓度会屏蔽铁电极化场，致使铁电极化减弱甚至消失。因此，探索一种使锡基钙钛矿半导体具有铁电性的新方法，对于实现低功耗器件和存储器的应用至关重要。

复旦大学材料科学系的褚君浩院士和李文武研究员团队提出了一种创新的分子重构策略，通过掺杂2-甲基苯并咪唑（MBI），成功将锡基钙钛矿半导体薄膜转变为铁电半导体薄膜，这一转变源于分子重构。重构后的铁电半导体表现出高达 23.2 μC/cm ² 的剩余极化（Pr）。铁电性的产生源于咪唑分子掺杂后氢键的增强，从而导致空间对称性破缺，使得正负电荷中心不再重合。值得注意的是，基于钙钛矿铁电半导体的晶体管表现出 低于67 mV/dec 的亚阈值摆幅（SS），进一步证实了引入铁电性的显著优势。这一发现为基于锡基钙钛矿的铁电器件提供了新的材料平台，也为下一代电子器件的设计和发展开拓了广阔前景。相关研究成果以“ Emergence of ferroelectricity in Sn-based perovskite semiconductor films by iminazole molecular reconfiguration ”为题，发表于国际著名学术期刊《 Nature Communications 》上。李文武研究员为通讯作者，材料科学系博士生刘昱为第一作者。

图1 锡基钙钛矿薄膜的压电原子力显微镜（PFM）、二次谐波光谱（SHG）和铁电性能

研究团队进一步将掺MBI分子的锡基铁电钙钛矿应用于铁电场效应晶体管（FeFET）中，研发了底栅顶接触结构的器件（图2a）。实验结果显示，原始晶体管的转移曲线呈现出典型的界面缺陷和体缺陷捕获载流子的特征（图 2b），反向电流低于正向电流。而掺MBI后的FeFET，由于极化电场的作用，反向电流超过正向电流，展现出显著的铁电滞回现象。研究人员还对不同扫描速度、扫描范围、漏源电压和不同温度下的转移曲线进行了测量，发现扫描窗口基本保持一致，再次证明了滞后现象源于铁电场效应晶体管（FeFETs）的铁电性。同时，随着MBI浓度的增加，器件的 亚阈值摆幅（SS）从120 mV/dec降至67 mV/dec ，充分表明该材料在低压操作和低功耗器件方面有着的巨大潜力。

图2 基于铁电钙钛矿半导体的锡基晶体管的电学表征

本次工作中，基于铁电钙钛矿半导体的锡基晶体管的常温及变温电学表征能够精准完成， Lake Shore CRX-6.5K低温探针台 发挥了重要的作用，它与Keysight B1500协同工作，为实验数据的准确获取提供了坚实的保障。

下图展示了 ZN50R-CVT 探针在实际测量中的性能。通过对比 ZN50R - CVT 探针和Lake Shore标准 ZN50R 探针，得出了霍尔迁移率随温度的变化关系。测量是在Lake Shore CPX - VF 垂直磁场探针台上进行的。在温度变化期间，ZN50R 探针需要抬起，待温度稳定后再重新放置，这一过程需要操作人员进行 14 次不同的操作干预。而ZN50R-CVT 探针在 20K 时放置在样品上， 在20K 至 300K 的温度范围内无需操作人员干预 。在这两个实验中，温度都是以逐点升温的模式调节的：先改变设定温度，待温度稳定后再进行测量。

图8 变温霍尔效应标准探针和CVT探针操作对比

[1]. Liu, Y., Yang, S., Hua, L. et al. Emergence of ferroelectricity in Sn-based perovskite semiconductor films by iminazole molecular reconfiguration. Nat. Commun. , (2025).