由于二维材料自身独特的物理性质，基于二维材料的电子器件在最近几年被广泛研究和报导。大量实验以二维材料为模板，通过调节掺杂状态来实现二维p-n结和反相器等逻辑电路中的必备元件。表界面电荷掺杂可以有效地实现可调控的单极性场效应晶体管，然而其不可逆性和不可编辑性限制了这种方法在逻辑电路中的应用。双极性的WSe2和MoTe2可以通过分离栅极来实现同质p-n结，但在移除栅极电压后，这种p-n结无法稳定保持，说明了其挥发性。在石墨烯中已经发现了非挥发性的可编辑光掺杂效应，但能带的缺失使石墨烯不适合应用在逻辑电路中。
近日，新加坡国立大学陈伟教授报道了基于MoTe2和BN异质结的非挥发性的可编辑光掺杂效应。首先，通过在光照条件下调节栅极电压的大小，MoTe2的电子输运性质可以被精确地调控。其次，栅极电压的极性使得这种光掺杂效应可以被多次稳定地编辑和擦除，并且在没有外界干扰的情况下可以保持超过14天。另一方面，通过控制异质结的器件结构和MoTe2上的光照区域，实现了基于单一材料的p-n结和反相器。p-n结的理想因子和整流特性比例分别达到了1.13 和 1.7x104，反相器的gain也达到了98。
由图1可以看出，在光照条件下，当MoTe2/BN异质结处于不同的负向栅极电压时，MoTe2可以被不同程度地掺杂并将电子存储在其中。掺杂过程完成后，无光环境下测试MoTe2的输运曲线发生了明显的变化。
图1. MoTe2/BN异质结的光掺杂原理。(a) MoTe2/BN异质结器件结构图。(b) MoTe2场效应晶体管的输运特性曲线。异质结的掺杂过程 (c) 和掺杂完成后 (d) 的能带结构图。
通过调节MoTe2/BN异质结的栅极电压，可以有效地调控MoTe2的输运性质，增加其电子浓度和迁移率。被掺杂的MoTe2在14天后仍然能够保持稳定的电流和迁移率，说明其优异的非挥发性能。异质结在经过20个编程/擦除循环后，其性能也保持不变。
图2. 掺杂电压可调的MoTe2/BN 异质结以及其稳定性测试。在不同掺杂电压下的 (a) 输运特性曲线和 (b) 电子掺杂浓度和迁移率。(c) 掺杂电流和 (d) 电子浓度和迁移率的稳定性。(e)-(f) 掺杂/擦除循环次数。
通过调节异质结的结构，作者实现了基于单一材料的非挥发性p-n结，其理想因子和整流特性比例分别达到了1.13 和 1.7x104。
图3. MoTe2 p-n结。
通过使用石墨烯作为栅电极并控制光照区域，作者实现了gain值达到98的MoTe2 反相器。
图4. MoTe2 反相器。
总结
在这个工作中，作者们通过MoTe2 和BN的异质结，发现了非挥发性的可编辑光掺杂效应。其掺杂效果可以稳定保持14天以上，并且能够通过至少20个掺杂/擦除循环而不降低质量。另一方面，通过调节异质结的结构和光照区域，作者实现了基于同种材料的p-n结和反相器，表明了光掺杂技术在二维材料异质结逻辑电路中的巨大应用前景。这一成果近期发表于Advanced Materials，文章的第一作者是新加坡国立大学化学系博士后刘陶和向都，通讯作者是向都博士和陈伟教授。
该论文作者为：Tao Liu, Du Xiang, Yue Zheng, Yanan Wang, Xinyun Wang, Li Wang, Jun He, Lei Liu, Wei Chen
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：
Nonvolatile and Programmable Photodoping in MoTe2 for Photoresist‐Free Complementary Electronic Devices
Adv. Mater., 2018, 30, 1804470, DOI: 10.1002/adma.201804470
导师介绍
陈伟
https://www.x-mol.com/university/faculty/4358
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