二维层状范德华人工半导体材料的电输运特性研究

As a multifunctional platform, van der Waals heterostructures have received a great deal attention. However, there have been evidences showing that van der Waals heterostructures with high-quality interfaces can be treated as a whole part due to the strong interlayer coupling, rather than a simple plus of the individuals inside them. This means that van der Waals heterostructures can work as a tool to fabricate artificial 2D layered materials. Unfortunately, this research field, especially the electronic properties of actual devices based on artificial 2D layered semiconductors, has not been studied. It is based on this situation that we want to apply for the foundation on this project. In this project, we will firstly develop a new transfer method to satisfy with the requirements of stacking van der Waals heterostructures with clean interfaces and orientation controllability. On the basis of this and the design of reasonable device configuration, we will carry out a systematic study on the electronic properties, including the influences of materials types, thickness, and orientations, etc., of 2D layered semiconductors inside the artificial van der Waals materials. In addition, we will try to find the most fundamental reasons of the observed phenomena with the help of first-principle calculation. This project will open a new world on the research of van der Waals heterostructures.

基于二维层状材料的范德华异质结，作为一种功能性结构获得了大量的研究。但初步研究表明，高质量的范德华异质结不再是单独个体的简单叠加，界面处的耦合效应让它成为了一个整体，这意味着范德华异质结可以作为一种制备二维人工新材料的手段。然而在这一方面，尤其是二维层状半导体材料通过范德华异质结形成人工新材料时，其在实际器件中的电学性质还没有得到研究。针对以上现状，本项目在开发界面清洁、转角可控的二维层状材料精准转移堆垛方法，以及设计合理的器件结构的基础上，拟对形成二维人工材料时单独材料的电学特性进行系统研究，并结合理论模拟，阐明二维范德华人工材料中堆垛角度、材料厚度、能带结构及材料种类等因素对这种新材料性质的影响规律。该项目的工作将对范德华异质结的研究打开全新的视角。

二维层状材料范德华异质结作为一种功能性结构获得了大量的研究，项目围绕二维范德华人工半导体材料开展了系统研究，具体完成情况如下：.（1）利用人工铁电介电范德华结构实现了高性能非挥发铁电存储器以及铁电负电容晶体管。本项目首次引入双栅的器件结构，实现了具有高写入/擦除比、大存储电压窗口、低写入电流、以及长时稳定性的铁电存储器。此外，本项目设计并实现了具有亚5 nm沟道长度的二维层状铁电负电容晶体管。该晶体管以金属性碳纳米管为有效栅极，CuInP2S6为二维铁电介电层，MoS2为二维导电沟道。该器件在室温下表现出栅压扫描无回滞并且亚阈值摆幅（SS）小于60 mv/dec这一理论极限值的特性。.（2）利用人工铁电半导体范德华结构实现了存算一体、以及神经形态视觉识别。本项目利用二维铁电半导体α-In2Se3中铁电与半导体性相耦合以及铁电极化在面内和面外两个方向中存在的特性，在一个简单的三端场效应晶体管器件上实现了具有高开关比（五个量级）、长时稳定性、快速切换特性的“与”、“或”以及非挥发的“或非”和“与非”逻辑门。此外，当将可见光脉冲作为逻辑输入时，我们还实现了非挥发的“蕴含”逻辑操作。本项目利用α-In2Se3/MoTe2铁电范德华人工结构，发现通过在栅极上施加不同电压脉冲，器件的短路电流会呈现多值连续增强和抑制现象，这与人类视网膜神经元突触在外界光源刺激下的反应非常相似。.（3）利用MoS2、hBN和石墨烯人工范德华结构制备了高性能多比特浮栅存储器。由于控制栅与浮栅分立于沟道两侧，该器件显示出大存储窗口、高开/关比（106）、超低暗电流（10−14 A）、以及出色的保持特性（104 s）和循环耐久性。此外，该器件还具有非挥发多比特光电存储特性。.经过3年的研究发表相关研究成果5篇，其中影响因子大于10的论文4篇，包括Advanced Materials 1 篇，Advanced Functional Materials 1 篇，Science Bulletin 2 篇，Nano Research 1 篇，较好地完成项目目标。