Nat. Electron.: 基于非对称范德华异质结构的高性能多功能电子器件

摘要

摘要图
本研究开发了一种基于非对称范德华异质结构的高性能多功能电子器件，其核心材料包括石墨烯、六方氮化硼 (h-BN)、二硫化钼 (MoS₂) 和二碲化钼 (MoTe₂)。该器件展现出高度可调的电子特性，在负电压下通过隧穿机制传输载流子，在正电压下通过热激活机制传输载流子，从而实现高达 \(\displaystyle 6 \times 10^8\) 的开关比及 \(\displaystyle 10^8\) 的整流比。此外，该器件兼具光电探测、光伏响应及可编程整流功能，具有稳定的存储状态和高达 \(\displaystyle 10^9\) 的编程/擦除电流比。本研究为基于二维材料集成的未来光电子器件设计提供了新方向。

关键词

  • 范德华异质结构 (Van der Waals heterostructures)
  • 二维材料 (Two-dimensional materials)
  • 可编程整流器 (Programmable rectifier)
  • 光电探测器 (Photodetector)
  • 高开关比 (High on/off ratio)
  • 光伏效应 (Photovoltaic effect)
  • 多功能器件 (Multifunctional devices)

研究背景

二维材料因其优异的电子和光学性能，在下一代电子器件中展现出巨大潜力。范德华异质结构通过将不同二维材料堆叠在一起，实现材料特性与功能的多样化，已被广泛用于开发高效光伏器件、光电探测器和存储器等。然而，大多数研究集中于传统电荷传输机制，器件性能和集成度仍然受到限制。本研究设计了一种新型非对称范德华异质结构，探索其在多种功能模式下的高性能表现，特别是实现高整流比、高开关比及可编程功能。这一创新设计有望在未来电子和光电子器件中发挥重要作用。

创新点

  • 提出并实现了非对称范德华异质结构中的隧穿与热激活双机制。
  • 器件开关比高达 \(\displaystyle 6 \times 10^8\)，整流比达到 \(\displaystyle 10^8\)，显著优于现有报道。
  • 将光伏效应与电流整流相结合，实现多功能光电响应。
  • 提出并验证了一种可编程整流器的设计，展示高稳定性和多级存储能力。
  • 采用基于二维材料的新型低功耗、多功能电子器件架构。

研究内容

本研究通过设计一种基于石墨烯、h-BN、MoS₂ 和 MoTe₂ 的非对称范德华异质结构，开发高性能多功能电子器件。器件利用机械剥离和手动堆叠法构建，其核心设计在于通过 MoTe₂ 层实现隧穿屏障和垂直通道的双重功能。实验研究表明，在负偏压下，电子隧穿为主要传输机制；在正偏压下，热激活机制主导电荷传输，形成高整流比的电流输出。此外，通过光电响应测试，器件表现出显著的光伏效应，其外量子效率可达 7,522%。在可编程功能测试中，通过调控背栅脉冲电压，实现了多级存储状态和 \(\displaystyle 10^9\) 的编程/擦除电流比。本研究进一步利用理论计算，解析了器件在不同偏压条件下的能带对齐和载流子输运特性，验证了实验结果的准确性。

图1
图1 | 器件结构及其基本特性。

(a) 器件的结构示意图，顶部的通道为MoS2/MoTe2结，中间为h-BN作为介电层，底部为石墨烯（Gr）栅电极。源电极（与MoS2连接的触点）接地。
(b) 器件的光学显微图。每片材料的边界用不同颜色的虚线表示。S，源极；D，漏极。
(c) 在h-BN基底上，通过532 nm激光激发，测得的MoS2、MoTe2及其重叠区域的拉曼光谱。
(d) 在300 K和77 K两种温度下，VG=0时测得的MoS2/MoTe2结的IDS–VDS曲线，分别表现出负偏压和正偏压条件下不同的温度依赖性。
(e–g) 结区域在隔离状态 (e)、负偏压 (f) 和正偏压 (g) 下的能带图示意。禁带、电子和空穴分别用白色区域、标有e−和h+的白色圆圈表示。费米能级 (EF) 的位置、电子传输和电子–空穴复合分别用虚线、实线箭头和虚线双向箭头表示。

图2
图2 | 器件的电学传输特性。

(a, b) 在不同漏极电压下测得的IDS–VG传输曲线。泄漏电流由(a)中的黑色曲线表示，其范围为几十飞安。
(c) 在不同栅压（−3到3 V，步进为0.5 V）下的IDS–VDS输出曲线。
(d) 在300 K和77 K条件下，电流整流比 (RF = I−3V/I3V) 随栅压变化的曲线图。
(e, f) 在正偏压 (e) 和负偏压 (f) 条件下，器件处于开 (ON，红色实线) 和关 (OFF，黑色虚线) 状态的能带示意图。禁带、电子和空穴用白色区域及标有e−和h+的白色圆圈表示。电子传输和电子–空穴复合分别用单向箭头和双向箭头表示。

图3
图3 | 器件的光响应特性。

(a) 在固定激光强度 (Plaser = 248 mW cm−2) 下，记录的不同漏极和栅压条件下的光电流 (Iph = |Ilaser − Idark|) 分布图。
(b) 器件在暗态（实线）和光照态（虚线）下的IDS–VG曲线。VDS设为±3 V。
(c) 光响应度 (Rph) 随栅压变化的曲线。
(d) 在固定VG = −2.4 V时，不同激光强度（2.55到248 mW cm−2）下，器件的IDS–VDS曲线。
(e) 在固定VG = −2.4 V和固定VDS = ±3 V下，光电流与激光强度的关系曲线。
(f) 从(d)中提取的低偏压条件下的IDS–VDS曲线，用于研究其光伏效应。顶部插图显示不同激光强度下的电功率 (Pel = IDSVDS) 与VDS 的关系。底部插图为低正偏压条件下受光照影响的结能带示意图。

图4
图4 | 高性能可编程整流器。

(a) 器件在施加±15 V背栅脉冲（持续2秒）后的编程 (P，黑色曲线) 和擦除 (E，红色曲线) 状态。
(b) 不同读取电压下，编程和擦除状态的保持性能。
(c) 在施加不同背栅脉冲（持续2秒）后的IDS–VDS曲线。
(d) 在两种不同背栅脉冲电压（10和14 V）条件下，随编程时间变化的整流比曲线。

结论与展望

本研究展示了基于非对称范德华异质结构的高性能多功能电子器件，成功实现了隧穿与热激活双机制、光电探测功能和可编程整流功能。器件的高稳定性和低功耗特性使其在未来光电子领域具有广阔的应用潜力。未来研究可进一步优化材料结构和界面设计，推动二维材料在高效光电子器件中的广泛应用。

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High-performance, multifunctional devices based on asymmetric van der Waals heterostructures

Nat. Electron., 2018, 1, 356–361

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