近日，中國科學院金屬研究所研究人員利用范徳華人工堆垛技術，在少數原子層硫化鉬（MoS2）與金屬電極之間插層高質量六方氮化硼（h-BN）隧穿結構，制造出能夠通過門電壓調制的雙極反向整流器件。該項成果在單個納米器件中集成了場效應管與多工作組態二極管（圖1），有望開辟基于二維原子晶體的超微型信息器件的新途徑。10月17日，相關研究成果發表在《自然-通訊》上。

　　高質量層狀垂直異質結的制備，需要利用超高真空分子束外延生長等手段。然而，此類制備方法對外延材料的基底晶格匹配等要求較高。范徳華堆垛方法是近年來興起的凝聚態物理研究前沿之一，其利用層狀材料的范徳華結合力，將不同的二維、準二維材料人工堆垛成為任意異質結構，可降低受基底材料的局限。該方法一經發明，在凝聚態物理領域引發全球范圍的研究熱潮。目前，該體系已在介觀尺度下實現了由超高質量界面引起的整數與分數量子霍爾效應、電子光學等新奇物理特性。

　　金屬所磁性材料與磁學研究部研究人員發明了倒置范徳華堆垛的新方法（圖2）。解決了傳統范徳華垂直異質結構難以獲得高質量超薄頂層的結構性難題，目前已申請中國專利一項。基于上述倒置轉印范徳華堆垛的制備方法，研究人員以少數層二硫化鉬（MoS2）為研究體系，利用超薄（少數原子層）的六方氮化硼（h-BN）作為范德瓦爾斯異質結的隧穿層，系統開展了隧穿晶體管器件研究。研究表明，通過在金屬（Au）和半導體（MoS2）界面之間引入隧穿h-BN，可有效降低界面處的肖脫基勢壘，從而實現通過局域石墨背柵的對通道MoS2費米能級的精確靜電調控（圖3）。

　　所獲得的MoS2隧穿晶體管僅通過門電壓調控即可以實現具有不同功能的整流器件，包括pn二極管、全關、np二極管、全開器件（圖4）。這項工作利用電子隧穿，首次將雙向可調的二極管和場效應管集成到單個納米器件中（此前要通過集成電路才能實現），為未來超薄輕量化、柔性多工作組態的納米器件開創了新的研究方向。

　　該項工作得到了國家青年千人計劃、國家自然科學基金、科技部重點研發項目、沈陽材料科學國家（聯合）實驗室等的資助。

　　論文鏈接 

圖1.（a）MoS2隧穿晶體管示意圖；（b）輸入正弦波在門電壓調制下的雙向整流效應

圖2.實驗制備倒置范徳華堆垛異質結的示意圖及光學照片

　　圖3.（a）MoS2隧穿晶體管光學照片；（b）器件在源漏偏壓和門電壓參數空間中的輸出電流特性；（c）樣品的垂直截面透射電鏡圖像

　　圖4.MoS2隧穿晶體管僅通過門電壓調控即可以實現具有不同功能的整流器件，包括正向導通、全關、負向導通、全開器件