我国学者在范德华异质结器件研究方面取得重要进展

在国家自然科学基金项目（项目编号：61625401、61474033，61574050）等资助下，国家纳米科学中心何军课题组构建了一种新型非对称二维范德华异质结构。研究成果以“High-performance, Multifunctional Devices Based on Asymmetric van der Waals Heterostructures”（基于非对称范德华异质结的高性能多功能器件）为题于2018年6月13日在Nature Electronics（《自然•电子学》）上在线发表，论文链接：https://www.nature.com/articles/s41928-018-0086-0。

由于二维层状材料表面无悬挂键的特性，不同二维原子层可以借助弱范德华力按选定顺序堆叠在一起，形成具有原子级平整界面的人工异质结构，这种异质结构通常被称为范德华异质结。与传统半导体异质结相比，范德华异质结不再受到相邻原子层之间必须晶格匹配的限制，理论上可以像堆积木一样实现任意形式（不同种类、角度、顺序、层数等）的堆垛。二维层状材料种类多样、性质各异，而范德华异质结“任意搭配”的特性可以把这些单独的材料结合到一起，并仍保持超薄的厚度。因此，范德华异质结为探索新型电子、光电子器件提供了一个全新的结构平台。

尽管范德华异质结潜力巨大，但现阶段与实际应用还有一定距离，其中一个主要原因在于：基于范德华异质结的器件未能充分发挥二维层状材料的优势，功能大多比较单一、性能有待进一步提高。何军课题组通过选择特定二维层状材料和堆垛方式，搭建了一种基于石墨烯（Gr）、六方氮化硼（h-BN）、二硫化钼（MoS₂）和二碲化钼（MoTe₂）的新型非对称范德华异质结器件（图1）。其中，石墨烯和六方氮化硼分别被设计为栅极和介电层，二硫化钼/二碲化钼异质结作为导电沟道。通过在横向二硫化钼沟道与金属电极之间引入双极型二碲化钼作为串联的垂直导电沟道，该异质结器件表现出栅压调控的n-n结和p-n结传输特性。同时，其载流子注入类型具有偏压可控性，可以在隧穿和热激活之间切换。通过匹配的能带结构和有效栅极静电调控设计，该异质结器件具有明显负跨导以及栅极可调的整流特性。测试结果表明，器件电流开关比高达6×10⁸、整流比约10⁸，光照条件下（图2a），该异质结器件的光开关比约为10⁷、响应度为28.6 A/W。

该异质结器件还可用作非易失性存储和可编程整流器（图2b）。通过对重掺杂硅基底施加相应写入和擦除电压，可以有效地调节石墨烯浮栅层中电子浓度，从而实现非易失性存储功能，器件擦除/写入电流比高达10⁹。在施加特定写入电压后，器件仍能保持高的电流整流比（2×10⁷）。此外，器件存储态和电流整流比可以通过写入电压和写入时间连续调节。

该新型范德华异质结器件实现了将二极管、场效应晶体管、光电探测器和非易失性存储器等多种功能集成于单一器件上，并且多项性能指标是目前范德华异质结器件中报道的最高值，为二维器件的多功能集成提供了新思路。