Science Advances：MoS2/PbS范德瓦爾斯異質結中的非易失性存儲設備的紅外記憶

【引言】

存儲器件構成了現代電子信息產業的基礎，它們的操作原理主要集中在電氣或磁性操作上，而用于信息存儲和處理的光電子器件卻受到的關注較少。能夠捕獲和沉積物質的電磁輻射并用作光激活光電子存儲器件對于光通信、記錄和計算的發展至關重要。用于信息存儲和處理的光電子器件由于其在光學記錄和計算中的重要應用而處于光通信技術的核心，然而，能夠將紅外數據轉換并存儲為電信號從而實現光學數據通信的光電子器件尚未實現。

【成果簡介】

近日，來自國家納米科學中心江潮（百人計劃、通訊作者）、何軍（百人計劃、共同通訊作者）的團隊在 Science Advances發表了題為Nonvolatile infrared memory in MoS₂/PbS van der Waals heterostructures的文章，該團隊報告了一個使用MoS₂/PbS范德瓦爾斯異質結構的紅外記憶裝置，其中紅外脈沖激發了一個持久的電阻狀態，在實驗時間尺度內（超過104秒）幾乎沒有放松。該設備即使在斷電3小時后也能完全恢復內存狀態，這表明它具有非易失性存儲設備的潛力。在定量分析的理論模型的支持下，他們提出光存儲器和電擦除現象分別起源于PbS中紅外誘導的空穴的局部化以及來自MoS₂到PbS的電子脈沖增強隧道效應。基于MoS₂異質結構的存儲器件為光電子紅外存儲器和可編程邏輯器件開辟了一個新的領域。

【圖文導讀】

圖1:紅外記憶裝置的原理圖和光電傳輸性能

A: 紅外記憶裝置的示意圖；

B: 異質結構的帶狀排列；

C: 可變光功率密度的紅外照明傳輸特性曲線；

D: 光電流曲線；

E: 在MoS₂通道中載流子密度的數值模擬；

F: 功率密度的響應度和特定檢測率的依賴性顯。

圖2:PPC和可擦寫內存

A-B: MoS₂-PbS分子結構和純MoS₂的時間演化；

C: 使用紅外激光脈沖和柵極電壓脈沖分別寫入和擦除存儲器。

圖3:紅外存儲和Vg脈沖擦除的物理原理?

A: 時間演化的MoS₂-PbS疊層結構中載流子分布的時間演化；

B: 作為時間函數的紅外激光脈沖和Vg脈沖的大小；

C: MoS₂中載流子濃度變化時間的變化。

圖4:定量分析電荷存儲

A: 通過隧穿或熱離子發射電子轉移MoS₂- PbS異質結構的界面的示意圖；

B: Vg與△n關系圖；

C: MoS₂中脈沖-去除電子密度的定量分析。

圖5:紅外記憶體的性能評估

A: 電荷儲存穩定性；

B: 光學寫入和電擦除操作的耐力；

C: 多個激光脈沖連續地對四個狀態進行編程。

【小結】

該團隊提出了一種MoS₂-PbS非易失性光學存儲單元，可有效地工作在光通信波段。這些器件通過光柵效應進行工作，從而在沒有任何外部電壓偏置的情況下持續保留電荷。即使器件斷電3小時，讀出電流也能完全恢復存儲器狀態，并且在他們的測量范圍內（大于104秒）不會發生衰減，表明這是一種有前途的非易失性電荷存儲裝置。這些器件具有200K以上的記憶效應溫度限制消失，這可以通過插入緩沖層來改善，所展示的設備顯示出長期穩定性（2000周期）。

文獻鏈接：Nonvolatile infrared memory in MoS2/PbS van der Waals heterostructures（Science Advances,2018, DOI: 10.1126/sciadv.aap7916）

本文由材料人電子電工學術組楊超整理編輯。

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