Te/Fe3GaTe2 1D-2D铁电异质结晶体管实现超快多态开关用于工件表面缺陷检测

《Nanomaterials》：Te/Fe3GaTe2 1D-2D Ferroelectric Heterojunction Transistors Enabling Ultrafast Multi-State Switching for Workpiece Surface Defect Inspection

　　

铁电场效应晶体管（FeFET）依赖铁电极化反转来调制沟道电阻，在非易失性存储和神经形态计算方面具有巨大潜力。极化开关动力学对于实现高速、高比特密度的神经形态硬件至关重要。在此，研究人员报告了一种由单元素碲（Te）纳米线和磁性金属Fe₃GaTe₂组成的1D-2D非对称异质结。压电力显微镜（PFM）揭示了室温下可逆的极化反转。利用该铁电异质结，研究人员构建了铁电半导体场效应晶体管（FeS-FET），该晶体管表现出超过7比特的可调电阻态，开关比为10³，保持时间超过10³秒，超快开关速度低至20纳秒。此外，该晶体管通过卷积神经网络（CNN）能够以97.1%的准确率识别工件表面上的六种微缺陷。这项工作建立了铁电极化与电阻调制之间的内在联系，为下一代多级存储和超快神经形态计算网络提供了器件平台。

铁电材料因其在无外电场下维持剩余极化的能力，成为非易失性存储器和神经形态计算领域的研究热点。传统铁电场效应晶体管（FeFET）依赖铁电极化反转调制沟道电阻，但面临铁电/半导体界面严重的电荷屏蔽效应，导致阈值电压变化不可预测，阻碍了稳定的多级电阻态编程。铁电半导体场效应晶体管（FeS-FET）采用铁电半导体作为沟道材料，利用面外退极化场调制面内输运特性，有望消除电荷屏蔽和漏电流问题。然而，已有FeS-FET的开关速度和可实现的非易失性电阻态数量尚未得到充分探索。针对这一空白，研究人员构建了基于1D-2D Te/Fe₃GaTe₂横向异质结的FeS-FET，旨在实现超快、多态的非易失性电阻开关，并探索其在工业缺陷检测中的应用。该研究发表在《Nanomaterials》上，为下一代高密度存储和超快神经形态计算提供了器件平台。

研究人员为开展研究采用了以下主要关键技术方法：通过水热法合成单晶碲（Te）纳米线，利用机械剥离制备二维Fe₃GaTe₂薄片，并通过干法转移技术构建1D-2D横向异质结。采用压电力显微镜（PFM）表征铁电性和畴结构。使用高带宽脉冲发生器配合射频共面探针台（50Ω阻抗匹配）实现纳秒级脉冲编程，结合电学测量系统读取电阻态。基于卷积神经网络（CNN）进行工件表面缺陷识别模拟，使用实验测量的128个非易失性电导态作为权重量化级别。

**2.1. 1D-2D Te/Fe₃GaTe₂异质结的结构表征**
通过扫描电子显微镜（SEM）和拉曼光谱表征，证实了Te纳米线具有三角晶相（空间群P3₁21）和链状结构，长度超过数十微米，宽度小于100 nm。拉曼光谱显示异质结中Te纳米线的E₁-TO声子模展宽并出现E₁-LO振动模，表明晶体对称性降低，证实了异质结的成功制备。

**2.2. 1D-2D Te/Fe₃GaTe₂异质结的铁电特性**
通过离场模式压电力显微镜（PFM）测量，在裸Te纳米线区域和异质结重叠区域均观察到蝴蝶状幅度环和特征相位滞后环，有效压电系数d₃₃约为2.5 pm V^-1，矫顽电压约为±2.5 V，确认异质结在集成后仍保持稳健的铁电性，为后续极化场调制沟道电导提供了物理基础。

**2.3. FeS-FET中畴反转引起的多级非易失性电阻开关**
Te/Fe₃GaTe₂异质结作为横向沟道器件，垂直剩余极化直接调制面内载流子输运。直流栅极扫描显示转移曲线具有逆时针滞后，开关比达10³，确认p型载流子特性。施加1 μs宽度的离散栅极脉冲后，读取的剩余电阻态呈现顺时针滞后，非易失性开关比达10²。通过逐渐增加脉冲幅值，器件展现出128个可区分的电阻态，保持时间超过3000 s无显著退化，且相邻态之间无统计重叠（±3σ误差线），归因于铁电畴的部分反转和微型畴尺寸，计算得到系统信息密度约为1.19 Tbit inch^-2。

**2.4. FeS-FET中的超快电阻开关（20 ns）**
利用铁电极化的超快反转特性，施加20 ns宽度的栅极脉冲，器件在重复脉冲下表现出稳定的非易失性双稳态开关行为，无退化。改变脉冲幅值仍可获得清晰的顺时针R_ds-V_p滞后回线，表明即使20 ns脉冲也能实现连续可调电阻态。当脉冲幅值降至10 V时，低于矫顽电压，无开关发生，确认开关由极化反转主导。

**2.5. 工件表面微缺陷识别**
基于实验测量的128个非易失性电导态（7比特）作为卷积神经网络（CNN）的权重量化级别，对工件表面六种微缺陷（裂纹、夹杂、斑块、凹坑、轧入氧化皮、划痕）进行识别模拟。CNN由两个卷积层和两个全连接层组成，经40个训练周期后，分类准确率达97.1%。对100张测试图像进行推理，每类缺陷识别准确率均超过90%，验证了FeS-FET阵列在高速、高精度工业缺陷检测中的潜力。

**总结讨论**：研究人员通过实验证明，Te/Fe₃GaTe₂ FeS-FET凭借铁电极化反转驱动面内电阻调制，实现了超过7比特的连续可调非易失性电阻态、10³的开关比、10³秒的保持时间、低至20 ns的超快开关速度以及1.19 Tbit inch^-2的超高信息密度。与现有先进铁电和神经形态器件相比，在超快开关和多态容量方面具有显著竞争优势。基于FeS-FET阵列的模拟实现了工件表面六种微缺陷97.1%的识别准确率。

**研究结论**：总之，研究人员展示了一种基于1D-2D横向Te/Fe₃GaTe₂异质结的铁电半导体场效应晶体管。压电力显微镜证实Te纳米线在异质结集成后仍保持稳健的铁电性。在Te的垂直剩余极化调制下，沟道异质结面内电阻实现连续可调的非易失性电阻态超过7比特，开关比为10³，长期保持超过10³秒，超快开关速度低至20 ns，超高信息密度达1.19 Tbit inch^-2。与其他先进器件相比，该器件在超快开关和多态容量方面具有高度竞争优势。此外，基于FeS-FET阵列的模拟在工件表面六种微缺陷识别中达到97.1%的准确率。这些结果确立了Te/Fe₃GaTe₂异质结作为下一代高密度非易失性存储和超快神经形态计算有前景的平台。