铁电晶体管因其可逆的非易失自发极化、超快的极化翻转速度以及线性、对称的模拟权重更新特性，成为新一代非易失存储器和类脑神经形态计算的核心候选之一。然而，在器件制备与工作过程中，铁电层的极化常受到界面及材料缺陷俘获电荷的屏蔽效应影响，导致极化翻转受限甚至无法实现。铁电极化（FE）与电荷俘获（CT）在物理上本质对立：前者依赖极化场的保持以维持非易失性，后者则通过局域内建电场抵消极化，使两种机制难以协同调控。这一内在竞争关系长期制约了铁电晶体管在可重构计算与智能硬件中的进一步发展。
因此，如何在铁电晶体管中实现可控的铁电极化—电荷俘获转变机制，以同时兼顾非易失存储与易失突触调制功能，成为当前铁电电子学领域亟待解决的重要科学问题。
文章简介：
复旦大学光电研究院褚君浩院士/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。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，研究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。该成果以“Polarity-dependent ferroelectric modulations in two-dimensional hybrid perovskite heterojunction transistors”为题，发表于国际著名学术期刊Nature Communications上。复旦大学李恩龙博士后为第一作者，新加坡国立大学何伟欣博士与复旦大学联合培养博士生王瑞雪为共同第一作者，新加坡国立大学罗建平教授与复旦大学李文武教授为通讯作者。
主要研究成果：
1.铁电极化与电荷俘获竞争的极性依赖调控机制：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。
2.具有电子捕获位点的有机无机杂化铁电钙钛矿材料：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。
3.极性依赖的二维异质结铁电晶体管验证：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。
4.非易失存储与突触调制一体化提升神经网络训练效率: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。
不同极性半导体层对晶体管铁电极化的影响
科学总结：
本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。
文章信息：Enlong Li, Weixin He, Ruixue Wang, Chi Zhang, Hongmiao Zhou, Yu Liu, Yijia Yuan, Kian Ping Loh*, Junhao Chu, Wenwu Li*, Polarity-dependent ferroelectric modulations in two-dimensional hybrid perovskite heterojunction transistors, Nature Communications, 2025, 16, 9382.
原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-64387-x
