清華大學劉鍇ACS Nano 應用于橫向和垂直電子器件的雙功能NbS2基非對稱異質結

引言

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率、存在二維超導、電荷密度波等新奇的物性以及面內催化活性等優勢而在二維電子器件、電化學器件等表現出了重要的應用價值。然而此類材料在空氣中進行轉移和器件加工過程中，其表面會迅速生成數納米厚的天然氧化層，從而在器件應用中產生接觸問題并降低器件性能。

成果簡介

近日，清華大學材料學院劉鍇課題組在單層MoS₂上外延生長NbS₂從而實現了對NbS₂底面的原位保護。單層MoS₂不但可以避免底面NbS₂產生氧化層，還可以作為一層隧穿導電層(~0.8 nm)，從而使異質結底面表現出了較高的電導率（1200 S cm^-1）。因此利用該隧穿導電面作為接觸電極的MoS₂場效應晶體管比機械剝離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，研究團隊發現，雖然金屬性NbS₂材料易于被氧化通常被認為是一個負面因素，但其表面存在的數納米厚的天然氧化層（NbO_x）可以表現出穩定的憶阻行為，并可以用來夠構建低壓（~1V）工作的橫向和垂直憶阻器件。因此，這種單面保護、單面氧化的非對稱垂直異質結構（MoS₂-NbS₂-NbO_x），兼具隧穿導電和阻變導電兩種不同的導電功能。研究團隊進一步結合激光直寫工藝，在連續的異質結區域構建了憶阻陣列來實現非易失性的存儲應用。此外，基于該異質結所制備的柔性器件可以表現出良好的彎折耐久性（~2000次）。由于天然氧化現象普遍存在于金屬性二維材料中，而對應的天然氧化層（NbO_x, TaO_x, TiO_x等）同樣可能具有憶阻特性，因此采用合適的結構設計可以制備類似的雙功能非對稱異質結。該項研究對金屬性二維材料的未來應用提供了一個通用策略。這項成果以“Bifunctional NbS₂?Based Asymmetric Heterostructure for Lateral and Vertical Electronic Devices”為題發表在國際著名學術期刊ACS Nano上，第一作者為清華大學材料學院博士生王博倫。

圖文導讀

圖1 NbS2基非對稱異質結的合成與電學性質

(a) 單層MoS₂上外延生長NbS₂的機理示意圖；
(b) NbS₂基異質結的AFM圖；
(c) 具有底部隧穿導電面和頂部憶阻面的NbS₂基非對稱異質結的結構示意圖；
(d) 異質結頂部憶阻面和底部隧穿導電面的電學性質，內置插圖分別為金電極與異質結頂面接觸的器件示意圖（左上角）和金電極與異質結底面接觸的器件示意圖（右下角）。

圖2 NbS2基非對稱異質結的表征

(a) 異質結的低倍HAADF-STEM圖；
(b) 異質結原子級分辨的HAADF-STEM圖；
(c) 異質結的SAED圖；
(d) 異質結的截面TEM圖；
(e) 異質結的截面元素分布圖；
(f) 不同空氣暴露時間的異質結的XPS圖譜；
(g) 異質結的表面Nb⁵⁺含量與空氣暴露時間關系圖；
(h) 異質結的KPFM圖。

圖3 以NbS2基異質結為接觸電極的MoS2場效應晶體管

(a) 異質結接觸的MoS₂場效應晶體管示意圖；
(b) 異質結接觸和機械剝離 NbS₂接觸的MoS₂場效應晶體管性能對比圖，插圖為異質結接觸器件的轉移特性曲線；
(c) 異質結接觸的MoS₂場效應晶體管的輸出特性曲線；
(d) 機械剝離 NbS₂接觸的MoS₂場效應晶體管的輸出特性曲線。

圖4 基于NbS₂基異質結的垂直憶阻器

(a) 基于異質結垂直憶阻器的光學照片；
(b) 憶阻器的電流-電壓曲線；
(c) 憶阻器的高阻態-低阻態循環曲線；
(d) 利用憶阻器模擬神經突觸的示意圖；
(e) 對憶阻器施加連續的正向電壓脈沖和反向電壓脈沖電壓來模擬神經突觸的長時程增強和長時程抑制特性；
(f) 憶阻器在正向電壓脈沖和反向電壓脈沖下實現高阻態與低組態的轉變。

圖5基于NbS₂基異質結的憶阻陣列與柔性器件

(a) 基于異質結的3×3憶阻陣列結構示意圖；
(b) 憶阻陣列單元的電流-電壓曲線；
(c) 利用憶阻陣列模擬數據寫入與讀取，低組態與高阻態單元構成X形圖案；
(d) 柔性憶阻器件的宏觀光學照片；
(e) 柔性憶阻器件單元的光學照片；
(f) 柔性憶阻器的2000次彎折耐久性。

小結

本文針對金屬性二維材料易于氧化且在電子器件應用中功能單一的關鍵問題，對其一個表面進行表面保護，另一表面進行自然氧化，構建了雙功能的非對稱垂直異質結（MoS2-NbS2-NbOx）。該異質結同時具備隧穿導電面（底面）和憶阻面（頂面），可應用于制備高效能的場效應晶體管和憶阻器等二維電子器件，對金屬性二維材料的未來應用提供了一個通用策略。

文章鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.9b06627

本文由清華大學材料學院劉鍇課題組供稿。

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