华东师范大学极化材料与器件教育部重点实验室钟妮教授团队，成功基于呼吸Kagome半导体Nb₃Cl₈制备出可重构双极性场效应晶体管，通过双栅极调控实现了在PN、NP、PP、NN等多种导电状态之间的动态切换，并进一步演示了其在卷积图像处理中的应用。该研究成果以“Reconfigurable bipolar transistors enabled by breathing-Kagome Nb₃Cl₈”为题，已在线发表于国际权威期刊《Materials Horizons》上。
随着信息技术的快速发展，新型二维量子材料因其独特的电子性质和潜在的应用前景成为凝聚态物理和材料科学的研究热点。其中，Kagome结构材料因其特殊的晶格排列和强电子关联特性，展现出拓扑平带、关联绝缘态等新奇量子现象。然而，大多数Kagome材料为金属或半金属，缺乏良好的开关比，限制了其在逻辑器件中的应用。近年来，呼吸Kagome半导体Nb₃X₈（X = Cl, Br, I）因其具有拓扑平带、多铁耦合等丰富的物理特性，引起了广泛关注。尤其值得注意的是，Nb₃Cl₈易于剥离和半导体特性为构建可重构电子器件提供了理想平台。然而，如何实现基于该类材料的功能器件，尤其是实现可编程、双极性操作的晶体管，仍是一个重大挑战。本研究通过机械剥离法制备了少层Nb₃Cl₈薄片，并采用六方氮化硼（h-BN）作为顶栅介质，构建了双栅极场效应晶体管。研究发现，以SiO₂为介质时器件存在显著滞后效应，而h-BN原子级表面有效抑制了界面电荷陷阱，实现了清晰的双极性传导行为，开关比超过10³。基于Nb₃Cl₈的双极性特性，研究团队进一步设计并制备了局部双栅控制的PN结晶体管。通过独立调控两个栅极电压，单个晶体管可动态重构为PN、NP、PP及NN四种导电状态，实现多态逻辑输出（“1”、“0”、“-1”）。利用这一可编程特性，团队构建了3×3晶体管阵列作为硬件卷积内核，成功演示了多种图像处理功能，包括图像复制、边缘检测和图像反转等，展现了其在神经形态计算与高效并行处理中的应用潜力。该研究成果以“Reconfigurable bipolar transistors enabled by breathing-Kagome Nb₃Cl₈”为题，已在线发表于国际权威期刊《Materials Horizons》上。华东师范大学为论文第一完成单位，魏鹿奇博士研究生、黄家豪硕士研究生以及中国科学院物理研究所的马之杰博士研究生为论文的共同第一作者，钟妮教授、关赵副研究员为论文通讯作者。合作者还包括华东师范大学极化材料与器件教育部重点实验室的段纯刚教授、向平华教授、陈斌斌研究员、王亚琼副研究员、童文旖副研究员、蒋亚飞硕士研究生和中科院物理研究所的石友国研究员。研究工作获国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海市科技创新行动计划的资助，并得到了极化材料与器件教育部重点实验室、上海类脑智能材料与器件研究中心和华东师范大学公共创新服务平台微纳加工中心的支持。（a–b）Nb₃Cl₈的晶体结构侧视图与俯视图；（c）侧向力显微镜的原子分辨晶格图；（d）机械剥离薄层的光学图像；（e）单层厚度表征；（f）不同层数Nb₃Cl8的拉曼光谱；（g）PL测量显示带隙约为1.27 eV；（h）变温拉曼光谱。图2. Nb₃Cl₈双栅极晶体管结构与电学特性表征（a）器件光学图像；（b）双栅极结构示意图；（c–d）顶栅与底栅的输出曲线；（e–f）转移曲线显示SiO₂栅介质存在滞后现象，而h-BN可实现清晰的双极性传导，开关比超过10³。（a）变温转移曲线；（b）变温输出曲线；（c）电导率随温度与栅压变化；（d–e）n型和p型导电的Arrhenius曲线；（f）在不同栅压下提取的有效势垒高度。（a）器件结构示意图；（b）四种状态下（NN, PP, NP, PN）的输出特性；（c–d）在不同栅压组合下的输出电流映射；（e）能带示意图；（f）多态输出逻辑（“1”、“0”、“-1”）的实现。附论文链接：https://doi.org/10.1039/d5mh01103e
