我國學者在范德華異質結器件研究方面取得重要進展

圖1. 非對稱范德華異質結器件結構示意圖

圖2.（a）非對稱范德華異質結器件在不同外界電場條件下的光電流；
（b）器件工作為非易失性存儲和可編程整流器時的特性曲線。

　　在國家自然科學基金項目（項目編號：61625401、61474033，61574050）等資助下，國家納米科學中心何軍課題組構建了一種新型非對稱二維范德華異質結構。研究成果以“High-performance, Multifunctional Devices Based on Asymmetric van der Waals Heterostructures”（基于非對稱范德華異質結的高性能多功能器件）為題于2018年6月13日在Nature Electronics（《自然?電子學》）上在線發表，論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41928-018-0086-0。

　　由于二維層狀材料表面無懸掛鍵的特性，不同二維原子層可以借助弱范德華力按選定順序堆疊在一起，形成具有原子級平整界面的人工異質結構，這種異質結構通常被稱為范德華異質結。與傳統半導體異質結相比，范德華異質結不再受到相鄰原子層之間必須晶格匹配的限制，理論上可以像堆積木一樣實現任意形式（不同種類、角度、順序、層數等）的堆垛。二維層狀材料種類多樣、性質各異，而范德華異質結“任意搭配”的特性可以把這些單獨的材料結合到一起，并仍保持超薄的厚度。因此，范德華異質結為探索新型電子、光電子器件提供了一個全新的結構平臺。

　　盡管范德華異質結潛力巨大，但現階段與實際應用還有一定距離，其中一個主要原因在于：基于范德華異質結的器件未能充分發揮二維層狀材料的優勢，功能大多比較單一、性能有待進一步提高。何軍課題組通過選擇特定二維層狀材料和堆垛方式，搭建了一種基于石墨烯（Gr）、六方氮化硼（h-BN）、二硫化鉬（MoS₂）和二碲化鉬（MoTe₂）的新型非對稱范德華異質結器件（圖1）。其中，石墨烯和六方氮化硼分別被設計為柵極和介電層，二硫化鉬/二碲化鉬異質結作為導電溝道。通過在橫向二硫化鉬溝道與金屬電極之間引入雙極型二碲化鉬作為串聯的垂直導電溝道，該異質結器件表現出柵壓調控的n-n結和p-n結傳輸特性。同時，其載流子注入類型具有偏壓可控性，可以在隧穿和熱激活之間切換。通過匹配的能帶結構和有效柵極靜電調控設計，該異質結器件具有明顯負跨導以及柵極可調的整流特性。測試結果表明，器件電流開關比高達6×10⁸、整流比約10⁸，光照條件下（圖2a），該異質結器件的光開關比約為10⁷、響應度為28.6 A/W。

　　該異質結器件還可用作非易失性存儲和可編程整流器（圖2b）。通過對重摻雜硅基底施加相應寫入和擦除電壓，可以有效地調節石墨烯浮柵層中電子濃度，從而實現非易失性存儲功能，器件擦除/寫入電流比高達10⁹。在施加特定寫入電壓后，器件仍能保持高的電流整流比（2×10⁷）。此外，器件存儲態和電流整流比可以通過寫入電壓和寫入時間連續調節。

　　該新型范德華異質結器件實現了將二極管、場效應晶體管、光電探測器和非易失性存儲器等多種功能集成于單一器件上，并且多項性能指標是目前范德華異質結器件中報道的最高值，為二維器件的多功能集成提供了新思路。