近日，信息与电子工程学院（集成电路科学与工程学院）褚君浩院士团队在空间微重力材料研究领域取得新进展。团队依托中国空间站微重力环境，成功生长出高质量范德华层状InSe半导体单晶，发现太空微重力条件能有效消除超塑性InSe中天然存在的大量层间堆垛层错，从而直接激活其本征滑移铁电性，并显著提升器件电学与光学性能。相关成果以 "Microgravity-activated high-performance van der Waals InSe ferroelectric semiconductor" 为题在线发表于 Nature Communications（图1）。
图1 团队研究成果发表于Nature Communications
空间微重力环境是地面难以长期稳定获得的特殊条件，被认为对晶体生长具有独特优势。论文指出，范德华层状材料由于层间滑移能垒低，在地面常规重力生长过程中易形成层错等缺陷，限制其在光电/铁电功能集成器件中的应用。本研究聚焦典型范德华半导体InSe，通过在空-地同步开展对应条件的生长实验，获得了与地面样品相比质量和性能显著提高的大单晶材料。
研究团队采用球差校正透射电镜等表征手段发现，太空生长的InSe晶体具有更加规则的ABCABC堆垛序列，地面生长样品中常见的多种异常堆垛在空间样品中明显减少。这表明，微重力环境有效抑制了层间滑移引起的结构缺陷，为获得高质量层状单晶提供了新的调控策略。图2直观显示，空间生长样品的衍射斑点更清晰、原子排列更均匀，进一步印证了“太空生长”对晶体质量的提升作用。
图2 多种异常堆垛在太空生长的γ-InSe中明显减少
在此基础上，团队首次在空间生长的InSe中直接观察到稳定的滑移铁电行为。图3所示的压电力显微镜表征展现出清晰的蝶形振幅回线、180°相位翻转以及稳定的铁电畴写入和读出能力。这表明微重力环境不仅改善了晶体结构，更进一步“释放”了InSe半导体被缺陷所掩盖的本征铁电性能。
图3 太空γ-InSe的滑移铁电行为
在器件层面，基于太空生长InSe构筑的铁电半导体场效应晶体管表现出优异性能：器件具有明显增大的非易失存储窗口、较高的开关比以及优良的载流子迁移率。其中，最大存储窗口约为11.4 V，迁移率最高达到约195.3 cm²·V⁻¹·s⁻¹。图4给出了器件结构和电学曲线，显示微重力生长材料在低功耗、高速度存储器件方面具有重要应用潜力。
图4 太空γ-InSe铁电半导体场效应晶体管
除电学性能外，太空生长InSe还展现出优异的发光特性。与地面生长样品相比，空间生长样品的发光强度提高超过一个量级，且具有更低阈值的超线性发光行为。论文指出，其超线性发光阈值由地面样品的约0.8 W/cm2降低至低于0.1 W/cm2，这为近红外非线性高效光源乃至激光器研制提供了更具竞争力的材料基础。图5为太空样品在不同激发功率下更加集中、均匀且高效的发光结果。
图5 太空γ-InSe的优异发光特性
研究团队表示，这项工作表明空间微重力环境不仅是一种“特殊实验条件”，更可能成为制备高质量范德华层状单晶的通用新策略。对于InSe这类兼具半导体、铁电和发光特性的超高迁移率范德华材料而言，太空生长有望推动其在光电融合存储、感存算一体、片上集成光子芯片等方向的应用。论文在总结中进一步提出，微重力条件有潜力推广到更大尺度、更高质量的范德华层状单晶生长中，从而加速相关新型光电子和纳电子器件的产业化进程。
华东师范大学褚君浩院士、越方禹教授、齐瑞娟高级工程师，上海电机学院金敏教授为论文共同通讯作者。华东师范大学硕士生金融、博士后隋峰锐为论文共同第一作者。合作者还包括中科院上海硅酸盐研究所研究员刘学超、华东师范大学青年研究员贾淑静、硕士生郑钰凡、硕士生戴佳文、助理工程师刘倍托、博士生于逸伦。研究工作得到了中国载人航天办和国家自然科学基金委等的大力支持。
