近日，清华大学材料学院刘锴副教授课题组在《美国化学学会.纳米》（ACS Nano）期刊上在线发表了题为《应用于横向和垂直电子器件的双功能NbS2基非对称异质结》（Bifunctional NbS2-Based Asymmetric Heterostructure for Lateral and Vertical Electronic Devices）的研究论文。该研究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。

        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。

        针对这一问题，刘锴研究团队在单层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（NbOx）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-NbOx），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（NbOx, TaOx, TiOx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。

双功能NbS2非对称异质结的结构与电学性质

        该论文第一作者为材料学院17级博士生王博伦，通讯作者为材料学院刘锴副教授。其他重要合作者包括清华大学物理系姜开利教授、柳鹏副研究员和北京工业大学朱慧副教授。该工作得到了基金委基础科学中心项目、面上项目，科技部重点专项，未来芯片高精尖创新中心项目，以及霍英东教育基金等科研项目的支持。

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