ACS Nano：南大繆峰教授課題組在二維材料異質結光電器件領域取得重要研究進展

【前言】

光電導效應是一種光照變化引起材料電導變化的基本物理現象。對于半導體材料，在吸收大于帶隙的入射光子能量后產生光生載流子，根據導致材料導電性的增強或減弱，光電導效應也相應分為正光電導和負光電導兩種效應。這兩種光電效應在低能耗、高頻率響應光電器件等領域展現了重要的應用前景，也受到了廣泛的研究關注。如果能夠在同一器件中同時實現正負兩種光電導效應，以及這兩種效應之間的高效調控，將有望為發展新型光電探測器、高性能光電存儲器等應用提供新的思路。

【成果簡介】

近日，南京大學物理學院繆峰教授課題組首次在基于浮柵的范德華異質結中同時觀察到正光電導和負光電導效應，并且實現了兩種效應之間的柵壓可控轉換。在這項工作中，課題組首先利用二維材料可控轉移技術制備了具有浮柵結構的范德華異質結（ReS₂，hBN，MoS₂分別作為溝道層，勢壘層，浮柵層）。這種異質結表現出超過10⁷的高開關比、超過10⁴s的阻態保持時間等優異的存儲性能，這來源于浮柵層對溝道層載流子濃度的有效調控。該工作發現光照也可以有效地控制溝道層與浮柵之間的載流子轉移。從而同樣實現對溝道載流子濃度的調控。通過控制載流子的轉移過程，有希望實現正負光電導之間的相互轉換。在實驗上，通過對具有浮柵結構的異質結分別施加正負脈沖柵壓，在撤去脈沖后，器件分別展示出了正光電導和負光電導效應，兩種效應之間可以通過柵壓調控來實現相互轉換。進一步的研究發現在不同功率的光照射下，器件可以保持在不同的電導狀態。基于這種負光電導效應，該課題組提出了一種多態光存儲器件模型，展現了該類器件在未來低功耗多態光電存儲領域的應用潛力。該成果以“Negative Photoconductance in van der Waals Heterostructures-Based Floating Gate Phototransistor”為題，發表在ACS Nano?上

【圖文導讀】

圖一.?ReS₂/h-BN/MoS₂范德華異質結的基本表征

a?光照射下的器件示意圖

b?器件的測量電路圖

c?范德華異質結的光學顯微鏡圖

d?異質結中ReS₂和MoS₂的拉曼光譜

圖二 異質結器件的存儲特性

a 不同柵壓下的轉移特性曲線

b存儲窗口寬度和柵壓的曲線

c?器件在V_cg?> 0 V和V_cg?< 0 V時的能帶機制示意圖

d?器件的阻態保持特性

e?器件的擦寫特性

圖三 觀察到的正光電導和負光電導效應

a 正光電導（藍線）和負光電導效應（紅線）之間的柵壓可控轉換

b?有MoS₂浮柵層（藍線）和沒有MoS₂浮柵層（紅線）的光電導效應對比

c?不同柵壓下的負光電導效應

d?器件在無光照射（上圖）和光照射（下圖）下的能帶機制示意圖

圖四 不同功率光照下器件的多態負光電導響應

a 637nm波長光照射下，不同光功率負光電導效應

b?讀出電流和存儲態的對應關系,?“0”代表無光照射時的讀出電流、”1”、“2”、”3”對應不同功率光照射10 s, 撤去光照后的讀出電流。

c 讀出電流和態（“0”、”1”、“2”、”3”）曲線

【成果總結】

作者在基于浮柵的范德華異質結中同時觀察到正光電導和負光電導效應，并且實現了兩種效應之間的柵壓可控轉換。基于這種負光電導效應，該課題組首次提出了多態光存儲器件原理模型，該項工作有望為開發新型基于范德華異質結光電存儲和光電探測等器件提供一個新的方向。

文章鏈接?https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.8b04885

繆峰教授課題組主頁?http://nano.nju.edu.cn/

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