成会明院士，Science子刊！

摘要：平面内各向异性二维（2D）半导体由于其各向异性特性而受到广泛关注，为设计功能电子器件开辟了道路。目前，已报道的平面内各向异性半导体主要依赖于晶格各向异性。

成果简介

平面内各向异性二维（2D）半导体由于其各向异性特性而受到广泛关注，为设计功能电子器件开辟了道路。目前，已报道的平面内各向异性半导体主要依赖于晶格各向异性。

基于此，中科院深圳先进技术研究院成会明院士和清华大学深圳国际研究生院刘碧录教授（共同通讯作者）等人报道了一种器件，通过在二维半导体AgCrP2S6（ACPS）中耦合各向异性离子迁移和电门控来实现电导调谐。扫描隧道电镜（STEM）和偏振拉曼光谱结果证实了ACPS的面内各向异性。ACPS的光致发光和电传输特性，表明它是一种半导体。ACPS中的Ag离子被证明是可移动的，从两端的电流-电压关系（I-V）测量中产生电导的各向异性调节。

ACPS器件在传输曲线中产生与Vg相关的滞后，因为Ag离子可能与传输电子耦合，导致离子-电子在三端模式下共调制。此外，随着Vds的增加，Ag离子的各向异性迁移可以定向地改变与Vds相关的转移特性中的滞后窗口。因此，通过结合本征银离子沿ACPS a轴和b轴的各向异性迁移和半导体特性来调节ACPS的电学行为。本工作为设计具有平面内离子各向异性耦合功能的器件提供了见解。

相关工作以《Tunable in-plane conductance anisotropy in 2D semiconductive AgCrP2S6 by ion-electron co-modulations》为题发表在最新一期《Science Advances》上。

图文解读

作者展示了ACPS中基于面内离子各向异性的离子-电子共调制设计原理图，它是一种具有层状结构的单斜晶体。晶格参数为a=5.9 Å，b=10.6 Å，c=6.7 Å，α=90°，β=106°，γ=90°。剥落后ACPS薄片的原子力显微镜（AFM）图显示，得到了6、13、20、25、32、72 nm不同厚度的ACPS薄片。HADDF-STEM图像清晰地显示了ACPS的层状结构，特别是（001）晶面的面间距为0.67 nm。ACPS的电传输是栅极可调的，表明ACPS具有半导体特性。结果表明，半导体ACPS是层状结构。

图1. 2D半导体ACPS的结构表征

银（Ag）沿a轴呈连续排列，沿b轴呈断续排列，排列差异使Ag原子在ab平面上排列成一维（1D）带状。ACPS薄片沿[103]轴的HADDF-STEM图像显示，ACPS的面内原子排列。Ag原子形成1D带状，由[CrPS]单元分开，沿ACPS带的轴向延伸。基于STEM和偏振拉曼光谱的表征，证实了ACPS的面内各向异性。

图2. ACPS的平面内结构和光学各向异性

作者在ACPS薄片中分别沿a轴和b轴制作了两个器件。当电压从0增加到1.5 V时，电流逐渐增大。当电压从1.5 V回到0 V时，与偏置相关的滞后很小。相反，在相同的I-V测量下，沿轴的器件显示了电流变化的两个步骤。第一个电流变化在0~1 V的范围内，类似于器件沿b轴的电流变化。当电压超过1 V时，沿a轴的器件比沿b轴的器件产生更大的电流增长。在1.5~0 V的反向扫描过程中，形成了一个逆时针偏置相关的磁滞，大于沿b轴的磁滞。结果表明，由于各向异性结构，Ag离子沿a轴的迁移比沿b轴的迁移更易出现。

在电场的刺激下，Ag离子在左电极上聚集，Ag离子的分布发生了变化，与EDS线扫描结果一致。Ag、Cr、P、S沿时间轴的能谱图表明，只有Ag离子的分布逐渐变化，也证明了Ag离子的迁移能力。因此，ACPS中电导的定向调谐是基于银离子的各向异性排列实现的。

图3. ACPS中的平面内各向异性离子迁移

根据ACPS器件沿轴的传递曲线，可清楚地观察到与Vg相关的大滞后，同时Vg相关的迟滞也出现在Vg的不同扫描范围和b轴。温度变化对Vg相关迟滞窗口的影响很大，表明Vg相关迟滞的产生可能与带电离子激活引起的电子捕获有关。当Vds低于1 V时，在Vg为80 V附近颜色变化剧烈，与Vds相关的迟滞较大。当Vds大于1 V时，Ag离子开始移动，减小了Vg相关的滞后，因为Ag离子迁移用于调节转移曲线的开/关比。此外，Ag离子迁移和结构各向异性实现了Vg相关迟滞的定向调谐。电学测量表明，ACPS器件的电学行为是可调谐的。它结合了平面内离子各向异性和半导体性，在三端模式下实现了可调的平面内电导各向异性。

图4.各向异性半导体ACPS中的离子-电子共调制