物理与电子科学学院材料系胡志高教授课题组基于压电响应力显微镜（PFM）和开尔文探针显微镜（KPFM）技术，通过巧妙的实验设计，实现了对n型（InSe）和p型（WSe2）二维半导体材料的挠光电效应直接观测。在弯曲的n型InSe（p型WSe2）中，挠曲电极化诱导的背靠背内建电场可以分别捕获光生空穴/电子，从而导致光电导弛豫。利用这一光电导弛豫效应，可以实现一种新型的基于挠光电效应的光激励突触器件。这一成果近期以“Flexo-photoelectronic effect in n-type/p-type two-dimensional semiconductors and a deriving light-stimulated artificial synapse”为题发表在国际知名期刊Materials Horizons（doi.org/10.1039/D1MH00024A）上，论文第一作者为汪翔博士，通讯作者为胡志高教授，崔安阳博士。
首先，研究者将薄层二维半导体材料完整地转移到特制的图形化衬底上，形成弯曲的沟道。然后利用PFM探针，对弯曲沟道中由应变梯度诱导产生的挠曲极化进行高分辨成像。结果表明弯曲沟道内的挠曲电极化在中心处最强，往两侧逐渐降低并且呈现对称性分布。这也表明了弯曲沟道内的极化电场呈对称分布。
图 1 弯曲InSe沟道的PFM表征结果
通过原位的光激励KPFM测试系统，研究者进一步观察到弯曲沟道中挠曲电极化与光生载流子的耦合效应。随着光注入的增强，弯曲半导体沟道中由挠曲电极化导致的势阱逐渐被光生载流子填充，表明其内部的内建电场逐渐被光生载流子的重新分配所补偿。实验结果证明了弯曲二维半导体中存在背靠背的内建电场，在InSe和WSe2中分别形成势阱和势垒，从而分别实现对电子和空穴的捕获。在光注入移除后，捕获的光生载流子缓慢释放，进而造成持续的光电流。
图2 光激励KPFM表征结果
基于光激励KPFM的结果，研究者结合能带理论进一步阐明了弯曲InSe和WSe2中由挠曲电极化引起的方向相反的背靠背内建电场。同时给出了弯曲n型和p型半导体的能带弯曲模型和光生载流子捕获机制。
图 3 弯曲InSe和WSe2沟道的能带结构和挠光电效应的产生机制
利用弯曲InSe沟道中势阱对光生空穴的捕获行为和持续光电导效应，本工作提出了一种基于挠光电效应的新型光激励突触器件。对这一新型突触器件的测试结果表明其可以有效的模仿生物突触的记忆和学习功能。更为重要的是，还可以通过重复学习实现从短期记忆到长期记忆的转化。
图 4 突触器件的示意图以及光突触器件的PPF行为和高通滤波功能
研究者使用高分辨率PFM成像技术在纳米尺度上量化了二维InSe和WSe2弯曲沟道中挠曲电极化的分布。同时借助原位的光激励KPFM系统地阐述了弯曲InSe和WSe2薄片中光生电子和空穴的传输动力学行为，并阐述了挠光电耦合效应的内在物理机制。进一步，研究者成功实现了一种基于挠光电效应的新型光激励人工突触。本研究工作有望对二维半导体材料挠曲电和挠光电效应的研究提供重要指导。
图、文：胡志高课题组
编辑：袁会敏