前沿|单层MoS2褶皱结构实现超薄存储器件

      存储器在当前5G和大数据时代显得尤为重要，原子级薄的二维 (2D) 半导体有望用于下一代存储器，以满足未来半导体行业进一步尺寸微缩和柔性电子器件的需求。然而，作为存储器件关键参数的载流子束缚状态的可控性在一定程度上阻碍了超薄二维半导体存储器的应用。

      近日，清华大学深圳国际研究生院成会明院士刘碧录副教授课题组报告了一种基于褶皱结构构建存储设备的方法，其中褶皱引起的局部应变可以捕获和释放载流子，从而实现器件的开关存储特性。该课题组报道在单层MoS₂的转移过程中，利用PET转移及其快速冷却过程中与MoS₂的不匹配的热收缩过程，在样品中制备褶皱结构。基于褶皱MoS₂的晶体管不仅具有较高的开关比（10⁶），且展现出明显的电学回滞窗口。回滞产生的原因是MoS₂表面的褶皱能够产生电子束缚态而将被正栅压激发的部分电子束缚住，使得器件处于高阻态；而负栅压能将被束缚的电子释放回原来的位置，从而使器件恢复到低阻态。他们也采用导电原子力显微镜结果验证这一电子束缚和释放过程。同时，通过不同脉冲栅压刺激(脉冲幅度，频率，次数等)可调控褶皱MoS₂存储器内部载流子浓度，从而使器件处于不同的阻态。同时，该存储器件集成了线性和指数响应行为，适合计算单元和存储单元的多功能、多场景应用。此外，这类器件还展现出较长的存储时间（＞10⁴ s），高开关比，高稳定性和重复性等特点。该研究提出通过褶皱结构设计的方法以调控二维存储器件载流子的束缚过程，为相关器件在超薄、柔性电子学领域的应用提供了一种新的解决方案。

图1. 褶皱MoS₂的制备流程和样品表征

图2. 基于褶皱MoS₂的FET器件示意图及电学转移特性

图3. 基于褶皱MoS₂的FET器件的导电原子力显微镜特征图

图4. 基于褶皱MoS₂的存储器件的性能

       相关成果近日以“基于褶皱结构的二维单层MoS2中的载流子捕获实现超薄存储器”（Carrier Trapping in Wrinkled 2D Monolayer MoS₂ for Ultrathin Memory）为题发表在国际期刊《ACS Nano》。清华-伯克利深圳学院成会明教授和刘碧录副教授为本文通讯作者，清华-伯克利深圳学院19级博士生张荣杰第一作者。论文作者还包括陈文骏博士、杨柳思博士、清华大学深圳国际研究生院2018级硕士研究生赖泳爵、2018级博士研究生滕长久、王婧云、2020级博士研究生孙宇杰。该研究得到了国家基金委杰出青年科学基金、国家自然科学基金委重大项目、广东省创新创业团队项目、深圳市科创委、工信局等部门的支持。

原文链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.2c00350

来源：刘碧录实验室