微重力激活的高性能范德瓦尔斯 InSe 铁电半导体

在太空中生长更优晶体

想象一下，未来手机和超级计算机内部那些微小的电子与发光元件，不是在地球上制造，而是在轨道上用晶体生长出来。该研究探讨了空间站的失重环境如何显著改善一种有前途的半导体材料——硒化铟（InSe），使其更适合用于存储、计算和光基器件。

为什么这种太空晶体重要

InSe 是一种层状材料，其层片之间通过较弱的相互作用结合，有点像可以相互滑动的超薄卡片叠。它无毒、电导率高，并在近红外区有明亮的发光性能，这些特性使其在电子和光学组件中很有吸引力。但在地球上生长 InSe 时，层状堆叠处常会产生许多微小的结构缺陷。那些“堆垛缺陷”和位错会干扰电荷和光在晶体中的传输，限制了高速晶体管、节能存储器和微小激光器等先进器件的性能。

把失重当作工具

为了解决这个问题，研究者在中国空间站上采用一种常规方法生长了 InSe 晶体：让融化的混合物在加热管内缓慢凝固。他们在其他条件相同的情况下制备了两类晶体：一种是在轨微重力下生长的（称为 s‑InSe），另一种是在地球上生长的（称为 e‑InSe）。基础测试表明，两者保持了相同的整体晶体结构和能带隙，说明材料的基本特性并未改变。真正的差异是在原子级别观察层间堆叠时显现出来。

更平滑的堆叠与隐含的电性秩序

高分辨率电子显微镜显示，太空生长的晶体比地球生长的晶体具有明显更少的堆垛缺陷；层状结构更直、更规整。这种更清洁的堆叠很重要，因为 InSe 能承载一种源自层间微滑动的内在电性秩序，这种行为被称为滑移铁电性。在常规样品中，众多缺陷会扰乱这一微妙效应。而在太空生长的 InSe 中，研究团队通过灵敏的扫描探针清晰观测到稳定的电切换。他们能够写入和擦除微小的极化区域，且即便在降低施加电压时这种响应仍然稳健，表明材料的本征铁电行为在没有额外化学处理或高温步骤的情况下被“激活”了。

更好的存储与更明亮的光

利用这种内在的电性秩序，研究者制作了场效应晶体管，其中超薄 InSe 片既作为半导体通道，又作为铁电元件。这些器件表现出宽阔的存储窗口——写入和擦除后电学状态明显不同——以及约百万的开关电流比和极高的载流子迁移率。这种组合非常适合“内存计算”，即将数据存储与处理合并以节能并加速运算。光学性能也得到改善：与地球生长的晶体相比，太空生长的 InSe 发射更强、更纯净的光，缺陷相关的杂光被大幅抑制。其主发射带随激发强度的增长呈超线性增加，并且在近十倍更低的激发功率下进入该态，表明可以在同一芯片上直接构建紧凑、低阈值的光源甚至微型激光器，与存储和逻辑功能紧密集成。

这对未来技术意味着什么

总体而言，这些结果表明太空的微重力环境能作为层状晶体如 InSe 的强效“净化剂”，消除在地球上难以去除的结构缺陷，揭示其完整的电学和光学潜能。通过在同一种材料中实现耐久的、可切换的电极化和高效的光发射，太空生长的 InSe 指向了高度集成的芯片，能紧密结合存储、传感和光通信。更广泛地说，这项工作提示空间站可能成为培育高质量层状半导体的重要工厂与实验室，为下一代电子学与光子学奠定基础。

引用: Jin, R., Sui, F., Yu, Y. et al. Microgravity-activated high-performance van der Waals InSe ferroelectric semiconductor. Nat Commun 17, 3851 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70520-1

关键词: 微重力材料, 硒化铟, 铁电半导体, 范德瓦尔斯晶体, 光电器件