纳米人

Nature Nanotechnology (亮点)：二维异质结超快可编程忆阻器

纳米技术

2021-06-28

近日，中科院高鸿钧、鲍丽宏、马里兰大学欧阳敏等报道基于InSe/hBN/多层石墨烯van der Waals异质结界面，制备达到纳秒的超高速可编程/擦写器件，消光比达到10¹⁰。复旦大学周鹏、陈时友等报道在MoS₂/hBN/多层石墨烯 van der Waals异质结实现了20 纳秒的超快写入/擦除速度。在两项报道中，都实现了20纳秒写入/擦除速度，同时保留时间能够达到10年。器件通过原子层厚度二维材料层-层组装实现，实现了异质结、隧穿完美结合，通过异质结将不同材料中能级不同的电子结合，因此载流子发生限域；隧穿作为一种电子穿越势垒的量子力学效应，对电场的强度非常敏感。麦吉尔大学Thomas Szkopek对该工作进行总结，对其意义进行评述和展望。

本文要点：

（1）

在van der Waals异质结结构中，材料表现为层状原子结构，相邻层之间通过强共价键/离子键产生相互作用，van der Waals结构具有两个优势：两种材料的界面达到原子级别；通过外延生长方法能够将绝缘体、半导体、导体结合，这种结合过程不像传统半导体异质结生长过程中受到限制。

（2）

作用机理。储存在石墨烯中的电荷代表逻辑位字节（0/1），通过BN绝缘层实现较高的逻辑位保留时间，通过脉冲电压降低BN的绝缘性实现写入/擦除，从而能够在石墨烯实现存储电荷的快速切换，通过半导体层中的电流实现信息的读取，半导体的导电性与石墨烯中存储的电荷变化非常敏感。

（3）

这种超快的非易失性忆阻器能够通过van der Waals异质结构层层组装实现广泛的功能化，为了将来此类电子器件的进一步发展，需要发展高密度的整体大小达到晶圆级别，虽然目前已经有相关报道能够实现晶圆大小的van der Waals异质结，但是目前仍然不清楚晶圆大小的异质结是否能保持超快非易失性忆阻器所需的原子尺度精确度和材料质量。

Van der Waals异质结需要集成到目前的硅电子学器件制备过程，比如完整的忆阻器除了记忆单元，还需要与外部电路配合。总之，这两篇报道能够促进和推动van der Waals异质结电路和系统的发展。