材料學(xué)院劉鍇課題組在過渡金屬硫化物-氧化物非對稱異質(zhì)結(jié)研究方面取得進(jìn)展
????????近日，清華大學(xué)材料學(xué)院劉鍇副教授課題組在《美國化學(xué)學(xué)會.納米》（ACS Nano）期刊上在線發(fā)表了題為《應(yīng)用于橫向和垂直電子器件的雙功能NbS2基非對稱異質(zhì)結(jié)》（Bifunctional NbS2-Based Asymmetric Heterostructure for Lateral and Vertical Electronic Devices）的研究論文。該研究針對金屬性二維材料易于氧化且在電子器件應(yīng)用中功能單一的關(guān)鍵問題，對其一個表面進(jìn)行表面保護(hù)，另一表面進(jìn)行自然氧化，構(gòu)建了雙功能的非對稱垂直異質(zhì)結(jié)（MoS2-NbS2-NbOx）。該異質(zhì)結(jié)同時具備隧穿導(dǎo)電面（底面）和憶阻面（頂面），可應(yīng)用于制備高效能的場效應(yīng)晶體管和憶阻器等二維電子器件。
????????金屬性的層狀過渡金屬硫族化合物（TaS2, VS2, NbSe2, NbS2, TiSe2等）由于具有較高的電導(dǎo)率、存在二維超導(dǎo)、電荷密度波等新奇的物性以及面內(nèi)催化活性等優(yōu)勢而在二維電子器件、電化學(xué)器件等表現(xiàn)出了重要的應(yīng)用價值。然而此類材料在空氣中進(jìn)行轉(zhuǎn)移和器件加工過程中，其表面會迅速生成數(shù)納米厚的天然氧化層，從而在器件應(yīng)用中產(chǎn)生接觸問題并降低器件性能。
????????針對這一問題，劉鍇研究團(tuán)隊在單層MoS2上外延生長NbS2從而實現(xiàn)了對NbS2底面的原位保護(hù)。單層MoS2不但可以避免底面NbS2產(chǎn)生氧化層，還可以作為一層隧穿導(dǎo)電層(~0.8 nm)，從而使異質(zhì)結(jié)底面表現(xiàn)出了較高的電導(dǎo)率（1200 S cm-1）。因此利用該隧穿導(dǎo)電面作為接觸電極的MoS2場效應(yīng)晶體管比機(jī)械剝離NbS2（頂面、底面均存在天然氧化層）接觸的器件遷移率提高了約140倍。另一方面，研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，雖然金屬性NbS2材料易于被氧化通常被認(rèn)為是一個負(fù)面因素，但其表面存在的數(shù)納米厚的天然氧化層（NbOx）可以表現(xiàn)出穩(wěn)定的憶阻行為，并可以用來夠構(gòu)建低壓（~1V）工作的橫向和垂直憶阻器件。因此，這種單面保護(hù)、單面氧化的非對稱垂直異質(zhì)結(jié)構(gòu)（MoS2-NbS2-NbOx），兼具隧穿導(dǎo)電和阻變導(dǎo)電兩種不同的導(dǎo)電功能。
????????研究團(tuán)隊進(jìn)一步結(jié)合激光直寫工藝，在連續(xù)的異質(zhì)結(jié)區(qū)域構(gòu)建了憶阻陣列來實現(xiàn)非易失性的存儲應(yīng)用。此外，基于該異質(zhì)結(jié)所制備的柔性器件可以表現(xiàn)出良好的彎折耐久性（~2000次）。由于天然氧化現(xiàn)象普遍存在于金屬性二維材料中，而對應(yīng)的天然氧化層（NbOx, TaOx, TiOx等）同樣可能具有憶阻特性，因此采用合適的結(jié)構(gòu)設(shè)計可以制備類似的雙功能非對稱異質(zhì)結(jié)。該項研究對金屬性二維材料的未來應(yīng)用提供了一個通用策略。
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雙功能NbS2非對稱異質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)與電學(xué)性質(zhì)
????????該論文第一作者為材料學(xué)院17級博士生王博倫，通訊作者為材料學(xué)院劉鍇副教授。其他重要合作者包括清華大學(xué)物理系姜開利教授、柳鵬副研究員和北京工業(yè)大學(xué)朱慧副教授。該工作得到了基金委基礎(chǔ)科學(xué)中心項目、面上項目，科技部重點專項，未來芯片高精尖創(chuàng)新中心項目，以及霍英東教育基金等科研項目的支持。
????????文章鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.9b06627
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