近日，beat365劉锴副教授課題組在《美國化學學會.納米》（ACS Nano）期刊上在線發表了題為《應用于橫向和垂直電子器件的雙功能NbS2基非對稱異質結》（Bifunctional NbS2-Based Asymmetric Heterostructure for Lateral and Vertical Electronic Devices）的研究論文。該研究針對金屬性二維材料易于氧化且在電子器件應用中功能單一的關鍵問題，對其一個表面進行表面保護，另一表面進行自然氧化，構建了雙功能的非對稱垂直異質結（MoS2-NbS2-NbOx）。該異質結同時具備隧穿導電面（底面）和憶阻面（頂面），可應用于制備高效能的場效應晶體管和憶阻器等二維電子器件。

        金屬性的層狀過渡金屬硫族化合物（TaS2, VS2, NbSe2, NbS2, TiSe2等）由于具有較高的電導率、存在二維超導、電荷密度波等新奇的物性以及面内催化活性等優勢而在二維電子器件、電化學器件等表現出了重要的應用價值。然而此類材料在空氣中進行轉移和器件加工過程中，其表面會迅速生成數納米厚的天然氧化層，從而在器件應用中産生接觸問題并降低器件性能。

        針對這一問題，劉锴研究團隊在單層MoS2上外延生長NbS2從而實現了對NbS2底面的原位保護。單層MoS2不但可以避免底面NbS2産生氧化層，還可以作為一層隧穿導電層(~0.8 nm)，從而使異質結底面表現出了較高的電導率（1200 S cm-1）。因此利用該隧穿導電面作為接觸電極的MoS2場效應晶體管比機械剝離NbS2（頂面、底面均存在天然氧化層）接觸的器件遷移率提高了約140倍。另一方面，研究團隊發現，雖然金屬性NbS2材料易于被氧化通常被認為是一個負面因素，但其表面存在的數納米厚的天然氧化層（NbOx）可以表現出穩定的憶阻行為，并可以用來夠構建低壓（~1V）工作的橫向和垂直憶阻器件。因此，這種單面保護、單面氧化的非對稱垂直異質結構（MoS2-NbS2-NbOx），兼具隧穿導電和阻變導電兩種不同的導電功能。

        研究團隊進一步結合激光直寫工藝，在連續的異質結區域構建了憶阻陣列來實現非易失性的存儲應用。此外，基于該異質結所制備的柔性器件可以表現出良好的彎折耐久性（~2000次）。由于天然氧化現象普遍存在于金屬性二維材料中，而對應的天然氧化層（NbOx, TaOx, TiOx等）同樣可能具有憶阻特性，因此采用合适的結構設計可以制備類似的雙功能非對稱異質結。該項研究對金屬性二維材料的未來應用提供了一個通用策略。

雙功能NbS2非對稱異質結的結構與電學性質

        該論文第一作者為beat36517級博士生王博倫，通訊作者為beat365劉锴副教授。其他重要合作者包括清華大學物理系姜開利教授、柳鵬副研究員和北京工業大學朱慧副教授。該工作得到了基金委基礎科學中心項目、面上項目，科技部重點專項，未來芯片高精尖創新中心項目，以及霍英東教育基金等科研項目的支持。

        文章鍊接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.9b06627