ACS Nano：南大缪峰教授课题组在二维材料异质结光电器件领域取得重要研究进展

【前言】

光电导效应是一种光照变化引起材料电导变化的基本物理现象。对于半导体材料，在吸收大于带隙的入射光子能量后产生光生载流子，根据导致材料导电性的增强或减弱，光电导效应也相应分为正光电导和负光电导两种效应。这两种光电效应在低能耗、高频率响应光电器件等领域展现了重要的应用前景，也受到了广泛的研究关注。如果能够在同一器件中同时实现正负两种光电导效应，以及这两种效应之间的高效调控，将有望为发展新型光电探测器、高性能光电存储器等应用提供新的思路。

【成果简介】

近日，南京大学物理学院缪峰教授课题组首次在基于浮栅的范德华异质结中同时观察到正光电导和负光电导效应，并且实现了两种效应之间的栅压可控转换。在这项工作中，课题组首先利用二维材料可控转移技术制备了具有浮栅结构的范德华异质结（ReS₂，hBN，MoS₂分别作为沟道层，势垒层，浮栅层）。这种异质结表现出超过10⁷的高开关比、超过10⁴s的阻态保持时间等优异的存储性能，这来源于浮栅层对沟道层载流子浓度的有效调控。该工作发现光照也可以有效地控制沟道层与浮栅之间的载流子转移。从而同样实现对沟道载流子浓度的调控。通过控制载流子的转移过程，有希望实现正负光电导之间的相互转换。在实验上，通过对具有浮栅结构的异质结分别施加正负脉冲栅压，在撤去脉冲后，器件分别展示出了正光电导和负光电导效应，两种效应之间可以通过栅压调控来实现相互转换。进一步的研究发现在不同功率的光照射下，器件可以保持在不同的电导状态。基于这种负光电导效应，该课题组提出了一种多态光存储器件模型，展现了该类器件在未来低功耗多态光电存储领域的应用潜力。该成果以“Negative Photoconductance in van der Waals Heterostructures-Based Floating Gate Phototransistor”为题，发表在ACS Nano 上

【图文导读】

图一. ReS₂/h-BN/MoS₂范德华异质结的基本表征

a 光照射下的器件示意图

b 器件的测量电路图

c 范德华异质结的光学显微镜图

d 异质结中ReS₂和MoS₂的拉曼光谱

图二 异质结器件的存储特性

a 不同栅压下的转移特性曲线

b存储窗口宽度和栅压的曲线

c 器件在V_cg > 0 V和V_cg < 0 V时的能带机制示意图

d 器件的阻态保持特性

e 器件的擦写特性

图三 观察到的正光电导和负光电导效应

a 正光电导（蓝线）和负光电导效应（红线）之间的栅压可控转换

b 有MoS₂浮栅层（蓝线）和没有MoS₂浮栅层（红线）的光电导效应对比

c 不同栅压下的负光电导效应

d 器件在无光照射（上图）和光照射（下图）下的能带机制示意图

图四 不同功率光照下器件的多态负光电导响应

a 637nm波长光照射下，不同光功率负光电导效应

b 读出电流和存储态的对应关系, “0”代表无光照射时的读出电流、”1”、“2”、”3”对应不同功率光照射10 s, 撤去光照后的读出电流。

c 读出电流和态（“0”、”1”、“2”、”3”）曲线

【成果总结】

作者在基于浮栅的范德华异质结中同时观察到正光电导和负光电导效应，并且实现了两种效应之间的栅压可控转换。基于这种负光电导效应，该课题组首次提出了多态光存储器件原理模型，该项工作有望为开发新型基于范德华异质结光电存储和光电探测等器件提供一个新的方向。

文章链接 https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.8b04885

缪峰教授课题组主页 http://nano.nju.edu.cn/

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