清华大学刘锴ACS Nano 应用于横向和垂直电子器件的双功能NbS2基非对称异质结

引言

金属性的层状过渡金属硫族化合物（TaS₂, VS₂, NbSe₂, NbS₂, TiSe₂等）由于具有较高的电导率、存在二维超导、电荷密度波等新奇的物性以及面内催化活性等优势而在二维电子器件、电化学器件等表现出了重要的应用价值。然而此类材料在空气中进行转移和器件加工过程中，其表面会迅速生成数纳米厚的天然氧化层，从而在器件应用中产生接触问题并降低器件性能。

成果简介

近日，清华大学材料学院刘锴课题组在单层MoS₂上外延生长NbS₂从而实现了对NbS₂底面的原位保护。单层MoS₂不但可以避免底面NbS₂产生氧化层，还可以作为一层隧穿导电层(~0.8 nm)，从而使异质结底面表现出了较高的电导率（1200 S cm^-1）。因此利用该隧穿导电面作为接触电极的MoS₂场效应晶体管比机械剥离NbS₂（顶面、底面均存在天然氧化层）接触的器件迁移率提高了约140倍。另一方面，研究团队发现，虽然金属性NbS₂材料易于被氧化通常被认为是一个负面因素，但其表面存在的数纳米厚的天然氧化层（NbO_x）可以表现出稳定的忆阻行为，并可以用来够构建低压（~1V）工作的横向和垂直忆阻器件。因此，这种单面保护、单面氧化的非对称垂直异质结构（MoS₂-NbS₂-NbO_x），兼具隧穿导电和阻变导电两种不同的导电功能。研究团队进一步结合激光直写工艺，在连续的异质结区域构建了忆阻阵列来实现非易失性的存储应用。此外，基于该异质结所制备的柔性器件可以表现出良好的弯折耐久性（~2000次）。由于天然氧化现象普遍存在于金属性二维材料中，而对应的天然氧化层（NbO_x, TaO_x, TiO_x等）同样可能具有忆阻特性，因此采用合适的结构设计可以制备类似的双功能非对称异质结。该项研究对金属性二维材料的未来应用提供了一个通用策略。这项成果以“Bifunctional NbS₂‑Based Asymmetric Heterostructure for Lateral and Vertical Electronic Devices”为题发表在国际著名学术期刊ACS Nano上，第一作者为清华大学材料学院博士生王博伦。

图文导读

图1 NbS2基非对称异质结的合成与电学性质

(a) 单层MoS₂上外延生长NbS₂的机理示意图；
(b) NbS₂基异质结的AFM图；
(c) 具有底部隧穿导电面和顶部忆阻面的NbS₂基非对称异质结的结构示意图；
(d) 异质结顶部忆阻面和底部隧穿导电面的电学性质，内置插图分别为金电极与异质结顶面接触的器件示意图（左上角）和金电极与异质结底面接触的器件示意图（右下角）。

图2 NbS2基非对称异质结的表征

(a) 异质结的低倍HAADF-STEM图；
(b) 异质结原子级分辨的HAADF-STEM图；
(c) 异质结的SAED图；
(d) 异质结的截面TEM图；
(e) 异质结的截面元素分布图；
(f) 不同空气暴露时间的异质结的XPS图谱；
(g) 异质结的表面Nb⁵⁺含量与空气暴露时间关系图；
(h) 异质结的KPFM图。

图3 以NbS2基异质结为接触电极的MoS2场效应晶体管

(a) 异质结接触的MoS₂场效应晶体管示意图；
(b) 异质结接触和机械剥离 NbS₂接触的MoS₂场效应晶体管性能对比图，插图为异质结接触器件的转移特性曲线；
(c) 异质结接触的MoS₂场效应晶体管的输出特性曲线；
(d) 机械剥离 NbS₂接触的MoS₂场效应晶体管的输出特性曲线。

图4 基于NbS₂基异质结的垂直忆阻器

(a) 基于异质结垂直忆阻器的光学照片；
(b) 忆阻器的电流-电压曲线；
(c) 忆阻器的高阻态-低阻态循环曲线；
(d) 利用忆阻器模拟神经突触的示意图；
(e) 对忆阻器施加连续的正向电压脉冲和反向电压脉冲电压来模拟神经突触的长时程增强和长时程抑制特性；
(f) 忆阻器在正向电压脉冲和反向电压脉冲下实现高阻态与低组态的转变。

图5基于NbS₂基异质结的忆阻阵列与柔性器件

(a) 基于异质结的3×3忆阻阵列结构示意图；
(b) 忆阻阵列单元的电流-电压曲线；
(c) 利用忆阻阵列模拟数据写入与读取，低组态与高阻态单元构成X形图案；
(d) 柔性忆阻器件的宏观光学照片；
(e) 柔性忆阻器件单元的光学照片；
(f) 柔性忆阻器的2000次弯折耐久性。

小结

本文针对金属性二维材料易于氧化且在电子器件应用中功能单一的关键问题，对其一个表面进行表面保护，另一表面进行自然氧化，构建了双功能的非对称垂直异质结（MoS2-NbS2-NbOx）。该异质结同时具备隧穿导电面（底面）和忆阻面（顶面），可应用于制备高效能的场效应晶体管和忆阻器等二维电子器件，对金属性二维材料的未来应用提供了一个通用策略。

文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.9b06627

本文由清华大学材料学院刘锴课题组供稿。

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