本项研究由复旦大学、新加坡国立大学和香港理工大学等机构的科研人员合作完成，论文于2025年发表在学术期刊 Nature Communications 上。这项研究属于凝聚态物理、材料科学与电子器件的交叉领域，具体关注二维铁电晶体管（Ferroelectric Field-Effect Transistors, FeFETs）的性能调控问题。

铁电材料因其非易失性的自发极化场，在非易失性存储器、存内计算和神经形态系统等领域具有广泛的应用前景。然而，在实际器件运行中，铁电极化的反转常常受到材料内部缺陷处电荷捕获现象的干扰。这两个机制——铁电极化和电荷捕获——都对电场高度敏感，但作用方向相反，相互竞争。捕获电荷产生的电场会削弱甚至抵消铁电极化场，这种复杂的相互作用使得器件的性能调控变得困难。传统上，铁电晶体管的研究主要聚焦于铁电层本身的极化与界面电荷捕获的耦合，而忽视了半导体层载流子类型（极性）对铁电极化状态的调控作用，导致FE和CT之间的转换随机且不可控。因此，实现铁电极化与电荷捕获之间的有效调制，理解其转换机制，对于优化器件物理和拓展应用至关重要。本研究旨在通过巧妙的器件设计，揭示并实现一种依赖于半导体极性的铁电调控机制，以解决上述挑战。

研究团队首先从理论模拟入手，结合新型材料设计与实验验证，完整的工作流程包含以下几个核心步骤： 1. 理论模拟与机制设计： 研究采用TCAD（Technology Computer Aided Design）半导体工艺与器件仿真软件，建立了二维铁电异质结晶体管（2DFHT）的仿真模型。该模型的关键设计是在铁电层中预设了电子捕获位点，并分别引入了n型半导体（如MoS2）和p型半导体（如黑磷，BP）作为沟道层。研究人员通过系统调节铁电极化强度和电子陷阱的密度与位置，模拟了器件的转移特性曲线（输出电流-栅极电压关系）。模拟结果显示，在相同铁电层条件下，n型晶体管表现为电荷捕获主导的顺时针迟滞回线，而p型晶体管则展现出铁电极化主导的逆时针迟滞回线。这一发现揭示了前所未有的“极性依赖”宏观铁电调控机制：在具有电子捕获位点的铁电晶体管中，以电子为多数载流子的n型沟道在正栅压下会促进电子捕获，形成与栅极电场反向的内建场，从而抑制铁电偶极子的翻转，宏观上表现为电荷捕获行为；而以空穴为多数载流子的p型沟道，其捕获的电子不足以形成足够强的抵消电场，因此铁电极化能够响应外部电场而翻转，表现出典型的铁电控制特性。这一模拟结果为后续的实验设计提供了理论蓝图。 2. 铁电材料的制备与表征： 为了在实验中实现理论预测的机制，需要一种兼具良好铁电性和可控电荷捕获特性的材料。研究团队选择并合成了二维有机-无机杂化钙钛矿铁电体 (EATMP)PbBr4。通过X射线衍射、压电力显微镜（PFM）等技术对材料进行了全面表征。XRD图谱证实了材料成功合成及其在薄膜中的晶体取向。关键的PFM测试直接观察到了材料在垂直和水平方向上的自发极化，并通过“盒中盒”的极化写入操作，成功实现了铁电畴的翻转，证实了其本征铁电性。此外，极化-电场回线测量也给出了明确的铁电滞回曲线。这些实验确证了(EATMP)PbBr4是一种室温下稳定的二维铁电体。同时，研究团队通过第一性原理计算分析了材料的电子特性。计算表明，该钙钛矿材料中的溴空位会引入局域态，成为有效的电子捕获中心。态密度图显示，存在溴空位时，费米能级附近、导带底以下的态密度增加，这从理论上支持了该材料具有作为电子陷阱的本征缺陷。这种铁电性与本征电子捕获位点的结合，为构建验证极性依赖机制的实验器件提供了理想的材料平台。 3. 二维铁电异质结晶体管的制备与电学测试： 基于上述理论和材料基础，研究人员制备了三种不同类型的二维铁电异质结晶体管。具体流程是：首先在SiO2/Si衬底上旋涂制备约40纳米厚的(EATMP)PbBr4铁电薄膜。然后，通过聚二甲基硅氧烷（PDMS）印章辅助的干法转移技术，将机械剥离得到的n型MoS2、双极性WSe2和p型黑磷（BP）二维半导体薄片分别转移到铁电层上，作为器件的沟道。最后，通过热蒸发金电极形成源极和漏极。所有电学测量均在真空环境下使用半导体分析仪完成。这是本研究的关键实验环节，旨在直接验证理论预测。 4. 器件性能分析与机制验证： 对三种器件进行双扫转移特性曲线测试。结果清晰地证实了理论预测：n型MoS2晶体管展现出典型的电荷捕获控制的顺时针迟滞窗口；p型BP晶体管则表现出铁电极化控制的逆时针迟滞窗口。尤为重要的是，双极性WSe2晶体管呈现了独特的双模式行为：在负栅压扫描的p型区域（空穴导电）表现为铁电控制的逆时针回线，而在正栅压扫描的n型区域（电子导电）则转变为电荷捕获控制的顺时针回线。这一结果完美地证明了，通过沟道半导体极性的改变，可以在单一器件中动态切换FE和CT这两种通常相互竞争的机制。此外，研究还通过改变栅压扫描范围、扫描速率等参数进行了一系列对照实验。例如，对于WSe2和BP器件的p型区域，当扫描电压幅度超过一定阈值（如40V）时，迟滞回线方向会从电荷捕获型的顺时针转变为铁电型的逆时针，这说明需要足够大的电场来驱动铁电极化的反转，并且这种铁电行为只出现在电子为少数载流子的半导体中，进一步支撑了极性依赖机制的论点。研究人员还制备了不含铁电层的对照器件，排除了衬底或其他因素产生类似迟滞效应的可能性，确认了观察到的现象源于铁电层的独特性质。 5. 器件功能演示与应用探索： 利用双极性WSe2晶体管中FE和CT机制的协同作用，研究人员展示了其在神经形态计算中的应用潜力。实验证明，通过施加不同幅度和宽度的栅压脉冲，可以分别实现非易失性的多级存储（对应于铁电极化状态的长期保持）和易失性的突触权重更新（对应于电荷捕获状态的短期弛豫）。这意味着单个器件可以同时承担长期记忆存储和实时权重更新的功能。基于从该器件实验中提取的电导状态、更新特性等关键参数，研究团队进行了器件层面的神经网络模拟。他们构建了一个迁移学习网络框架：首先在大型数据集（如ImageNet）上进行预训练以提取通用特征，并将这些特征通过器件的非易失性铁电态“冻结”保存；随后，在面对新任务（如CIFAR-10分类）进行微调时，利用器件的易失性电荷捕获机制进行快速的权重调整。模拟结果显示，这种利用器件双模式特性的方法，与从头开始训练的网络相比，将识别准确率从80.9%显著提升至92.9%，并将达到80%准确率所需的训练时间缩短了20.7倍，极大地提升了训练效率和网络性能。

本研究的主要结论是：通过将具有本征电子陷阱的二维有机-无机杂化钙钛矿铁电体与不同极性的二维半导体相结合，首次在实验上实现并验证了“极性依赖的铁电异质调控机制”。在二维铁电异质结晶体管中，半导体沟道的载流子类型决定了宏观上表现为铁电极化控制还是电荷捕获控制。基于这一机制，成功在单一双极性晶体管中实现了非易失性铁电存储与易失性突触权重更新的协同异质控制。这一发现不仅深化了对铁电晶体管中复杂耦合机制的理解，也为设计新型多功能电子器件提供了全新的思路。

本项研究的科学价值在于，它突破了传统铁电器件中FE与CT机制相互制约、难以协同的瓶颈，揭示并实验验证了通过半导体极性这一新维度来主动调控器件工作模式的可能性。其应用价值尤为突出，所构建的双模式晶体管能够在一个器件中集成长期记忆和短期学习功能，为构建高效、低功耗的神经形态计算硬件提供了极具潜力的器件原型。实验与仿真的结合证明了该原理在提升人工智能算法训练效率和精度方面的巨大潜力。

本研究的亮点和创新性体现在多个方面：首先，科学概念的创新：提出了“极性依赖的铁电调制”这一新原理，将器件性能的调控从传统的铁电材料工程拓展到了沟道半导体性质的主动设计。其次，材料设计的巧妙性：创造性地选用了兼具良好铁电性和本征电子捕获特性的二维有机-无机杂化钙钛矿材料作为铁电层，为验证理论提供了完美的实验载体。第三，器件功能的突破性：在单一双极性晶体管中成功实现了FE和CT两种对立机制的动态切换与协同工作，实现了“存算一体”和“长短期记忆融合”的功能，这是传统单一模式器件难以企及的。最后，研究方法的系统性：结合了第一性原理计算、TCAD器件模拟、材料合成与表征、器件制备与测试、以及面向应用的神经网络仿真，形成了一个从理论基础到材料实现，再到器件验证和功能演示的完整闭环研究体系，论证坚实有力。此外，研究中对离子迁移等潜在干扰因素的排除实验，以及对器件重现性和性能参数的详细表征，也体现了工作的严谨性和可靠性。