紅外非易失性存儲器研究獲進展

二維層狀半導體材料是層內以強的共價鍵或離子鍵結合而成，而層與層之間依靠弱的范德華力堆疊在一起的一類新型材料。通常其表面沒有化學懸鍵，這個特徵使載流子免於表面粗糙度及陷阱態的影響，從而能夠獲得較高的載流子遷移率。但超薄的特性導致其具有小的吸收截面，二維的尺寸限制和低的靜電屏蔽導致二維材料具有大的激子束縛能，而且強烈的庫倫相互作用也會通過俄歇過程增加光生電子空穴在缺陷處的複合。這些弊端都限制了二維材料在光電探測上的應用。中國科學院國家納米科學中心何軍課題組將范德華外延法應用於光電性能優異的非層狀硫族半導體材料二維化生長，從六方晶體到立方晶體結構，從單組分到複雜的三組分體系，分別實現了 Te、Pb1-xSnxSe、PbS 等具有不同晶體結構的非層狀材料的二維化及陣列結構(Advanced Materials.2017, 29, 1703122；Advanced Materials.2016, 28, 8051-8057；Nano Letters.2015, 15, 1183-1189)。在此研究基礎上，為了解決二維層狀材料的弊端，並利用非層狀硫族半導體高效的光吸收性能。通過范德華外延實現了邊緣接觸的層狀非層狀范德華異質結：硫化鉛/二硫化鉬（PbS/MoS2）和硫化鉛/石墨烯（PbS/graphene）異質結（Nano Letters.2016, 16, 6437-6444;Advanced Materials.2016, 28, 6497–6503)。窄帶隙的 PbS 與二維材料形成內建電場使光生電子空穴空間分離，有效阻止了二維材料中光生電子空穴的快速複合。另一方面二維材料的高遷移率極大地提高了光電導增益，實現了高性能的紅外探測器件的製備。

在二維半導體材料可控生長及其電子和光電子性質的研究基礎上，何軍課題組進一步實現了一種基於二維材料 MoS2/PbS 范德華異質結的紅外非易失性存儲器。該器件能把紅外光信號高效地轉換為電信號，而且能實現穩定存儲。這種器件不僅展現出了極高的紅外光探測性能：光響應度超過107安培每瓦，光增益超過1011，探測率超過1015瓊斯，而且具有極其穩定的光存儲性能，存儲時間超過104秒。此外該存儲器可以通過脈衝柵壓擦除，經過2000次循環仍能保持穩定。結合理論模型與實驗數據，研究人員發現光存儲機制來源於 PbS 中光生電子注入 MoS2，界面勢壘 ФR阻止 MoS2裡面的電子反向注入 PbS 。光生空穴被局域在 PbS 價帶或者缺陷產生光柵作用，誘導電子濃度大約2.4×1024cm-3，出現光存儲。加脈衝柵壓 MoS2電子濃度增加，MoS2中電子通過量子遂穿注入 PbS 與局域空穴複合，光存儲被擦除。當脈衝柵壓從10增加到100 V ，柵壓誘導的電子從0.6×1024增加到2.5×1024cm?3，這個值跟光柵誘導的電子濃度非常接近。以上實驗觀測與理論模型（隨脈衝柵壓增加 MoS2中注入到 PbS 中的電子濃度增加）相一致。850, 1310 和1550 nm 這三個波段是光纖損耗比較低的波段，被廣泛應用於光纖通訊，該光存儲器能有效將這三個光纖通訊波段的光信號轉換為電信號並實現穩定存儲。這種應用於紅外通訊波段的非易失性存儲器目前是首次報道。這項研究成果為光電子存儲以及其邏輯電路提供了新思路，相關研究成果日前以Nonvolatile infrared memory in MoS2/PbS van der Waals heterostructures為題發表在Science Advances（Sci. Adv.2018; 4 : eaap7916）上。

該研究工作得到了國家傑出青年科學基金、科技部重大科學研究計劃等的支持。

MoS

2/PbS 紅外非易失性存儲器結構示意圖與光電輸運

來源：中國科學院國家納米科學中心

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