未来信息创新学院近日取得两项新突破，成果连发顶刊。
实现铁电异质结晶体管中极性依赖的铁电/缺陷调控
未来信息创新学院褚君浩院士/李文武教授团队提出了一种极性依赖的二维杂化钙钛矿异质结铁电晶体管新机制，近日以“Polarity-dependent ferroelectric modulations in two-dimensional hybrid perovskite heterojunction transistors”为题，发表于Nature Communications。
该研究通过在有机无机杂化铁电层中引入电子俘获位点，并结合TCAD模拟和第一性原理计算，揭示了铁电异质结晶体管中铁电极化与电荷俘获之间的竞争关系及其半导体极性依赖的可逆转变规律。该策略实现了铁电极化与电荷俘获的异质协同，使单个器件同时具备多级非易失存储与突触权重调节的双重功能。
该研究通过TCAD数值模拟系统揭示了铁电极化（FE）与电荷俘获（CT）在铁电晶体管中共存与竞争的机理：在n型二硫化钼的沟道中，电子多数载流子增强俘获效应，形成反向去极化场，导致铁电极化被抑制，晶体管的转移曲线呈现CT主导的顺时针迟滞方向；在p型黑磷沟道中，载流子以空穴为主，俘获效应减弱，铁电极化得以实现翻转，晶体管表现出FE主导的顺时针迟滞特征。这一半导体极性依赖的转变揭示了沟道载流子极性可作为调控铁电表现的新自由度，为打破传统铁电—俘获二元对立提供了理论依据。
文章采用新型二维杂化铁电钙钛矿 (EATMP)PbBr4（简称ETPB）。XRD、PFM和P-Eloop测试证实薄膜具有良好的结晶取向与可翻转的铁电畴结构；DFT计算揭示Br空位为主要电子俘获中心，导致费米能级向导带移动并引入电子陷阱态，实现了铁电性与俘获中心的共存。该结果表明，EATMP有机阳离子定向排列与卤素空位俘获作用协同，为构建可调控铁电行为的杂化体系提供了材料基础。
实验制备了三种二维异质结铁电晶体管，分别采用 n型MoS2、p型BP和双极性WSe2作为沟道层。结果显示：MoS2器件呈现CT主导的迟滞曲线；BP器件呈现FE主导的迟滞曲线；WSe2器件在同一器件中实现FE与CT的双模共存，展现出由极性驱动的异质调控效应。其中，WSe2器件在p型区迁移率高达 195 cm2 V-1 s-1，开关比超过 3×106，性能位列同类铁电晶体管前列。
在双极性铁电异质结晶体管中，器件实现了非易失存储与易失权重调节的动态切换：大电压脉冲诱导铁电极化翻转，实现多级非易失存储；小电压脉冲激活俘获过程，实现短时突触权重更新。这一异质双模特性使得单个器件即可在神经网络中同时完成存储与学习功能。基于实测参数构建的迁移学习网络模拟表明，该器件使识别准确率由80.9%提升至92.9%，训练效率提高20.7倍，显著优于传统存算分离架构。
该研究提出的极性依赖的铁电调制机制实现了铁电极化与电荷俘获两种对立物理过程的可控转变。通过在二维铁电杂化钙钛矿中嵌入电子俘获位点并引入不同极性的半导体沟道，器件实现了铁电极化与电荷俘获的异质协同，使器件在非易失与易失功能间自由切换，为面向智能计算的铁电异质器件设计提供了新思路。该成果为下一代可重构、低功耗、类脑铁电器件奠定了基础。
文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-64387-x
突破光学耦合的距离极限
未来信息创新学院青年研究员王丹青与美国加州大学伯克利分校吴军桥教授团队合作，近日在Nature Communications杂志发表了一项题为“Long-range optical coupling with epsilon-near-zero materials”的研究成果。该研究利用具有特殊电磁学特性的近零介电常数材料，首次实现了数百微米的长程光学耦合。这一距离相比传统光学耦合长度提升了三个数量级，相当于让两个仅有头发丝千分之一厚的薄膜，隔着数倍于头发丝的宽度，完成高效的隔空对话。
在量子力学中，电子能够以一定概率穿过势垒，这就是著名的量子隧穿效应，也是2025年诺贝尔物理学奖的主要成果。当两层超导体被纳米厚度的绝缘层隔开时，库珀电子对会通过共振隧穿产生独特的耦合现象，这种现象在超导量子计算等领域具有重要价值。
研究团队在光学系统中类比并扩展了这一效应。他们构建了光学意义上的双势垒结构：两层仅50nm厚的氧化铟锡薄膜作为势垒，中间的二氧化硅层则作为绝缘隔板。氧化铟锡这种功能材料具有独特的光学特性，在特定近红外波长下，其介电常数的实部会趋近于零，因而被归类为近零介电常数材料。
如何精确探测被禁锢在纳米薄膜内部的光场及其相互作用，成为研究团队面临的关键挑战。团队创新性地采用二次谐波方法，通过用红外光照射样品，探测其发出的倍频可见光信号。这种非线性光学信号的强度与材料内部局域电磁场强度的四次方成正比，对纳米尺度下的微小场强变化具有极高的探测灵敏度。
实验结果显示，当改变两层薄膜的间距时，二次谐波信号表现出清晰的周期性振荡特征。当激光分别激发外层和内层薄膜时，信号强度呈现出典型的跷跷板效应——外层信号增强时内层信号相应减弱，反之亦然。这种精确的反关联振荡模式与理论预测很好吻合，为长程光学耦合的存在提供了有力证据。
在集成光子芯片方面，这项技术使光学元件在保持数百微米距离的情况下仍能实现高效耦合，为光子芯片的架构设计带来突新思路。在传感技术领域，基于这种对间距变化极度敏感的光学效应，可以开发出新一代超高精度光学传感器。在量子信息技术方面，这项研究为实现量子光源的长程耦合和大规模量子计算提供了潜在技术路径。
文章链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-025-64504-w
通讯员 张皓文
