研究背景
隨著電子和光電子應(yīng)用的快速發(fā)展，二維半導(dǎo)體材料因其優(yōu)異的物理特性而引起了廣泛關(guān)注。這些材料不僅展示了半導(dǎo)體的基本屬性，還可能展現(xiàn)出額外的物理現(xiàn)象，比如憶阻特性，這在電子存儲和處理技術(shù)中具有重要應(yīng)用潛力。然而，探索具有憶阻特性的半導(dǎo)體二維材料面臨巨大挑戰(zhàn)。雖然頂化學(xué)方法已成功合成了多種二維材料，但具備憶阻能力的半導(dǎo)體二維材料依然難以獲得。憶阻器是一種結(jié)合了記憶特性和開關(guān)能力的三端器件，其通過低維材料的固有弱電靜態(tài)屏蔽特性實現(xiàn)了潛在的功能擴展。這類結(jié)構(gòu)不僅簡化了交叉條陣列中的地址選擇，還可能實現(xiàn)生物真實功能。然而，擴展具有憶阻行為的半導(dǎo)體范德華 (vdW) 材料庫依然是一個主要挑戰(zhàn)，尤其是在利用創(chuàng)新的軟化學(xué)方法方面。軟化學(xué)方法，尤其是選擇性去除 A–B–X 三元化合物中的陽離子 A，以生產(chǎn)層狀 B–X 化合物（其中 A 和 B 為陽離子，X 為陰離子），在這方面起到了重要作用。盡管這些方法已成功合成了多種二維過渡金屬氧化物、硫化物和 MXenes，但合成具備憶阻特性的半導(dǎo)體二維 B–X 化合物仍然極為稀少。為應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，韓國延世大學(xué)Aloysius Soon, Jinwoo Cheon, Cheolmin Park& Wooyoung Shim, 以及韓國陶瓷工程與技術(shù)研究所Jong-Young Kim教授合作在“Nature Materials”期刊上發(fā)表了題為“Cation-eutaxy-enabled III–V-derived van der Waals crystals as memristive semiconductors”的最新論文。研究人員進(jìn)行了系統(tǒng)的高通量篩選，以識別具備憶阻特性的 III–V 族衍生范德華晶體。通過頂化學(xué)蝕刻方法，研究人員成功合成了 HxA1–xBX 型半導(dǎo)體 III–V 衍生 vdW 晶體，這些晶體展現(xiàn)了憶阻特性。 首先，通過識別具有陽離子-晶格結(jié)構(gòu)的三元體，并使用 pymatgen 算法篩選出 94 種常見晶體結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步進(jìn)行高通量篩選，以檢索 3,510 種元素組合，最終確定了 760 種已知陽離子-晶格三元體，其中包括 35 種 III–V 基化合物。通過數(shù)據(jù)驅(qū)動的統(tǒng)計模型生成了 1,827 種潛在未知化合物，并對其中 575 種（包括 15 種 III–V 三元體）進(jìn)行了密度泛函理論 (DFT) 評估，最終識別出 127 種“未知”化合物。選擇了其中 10 種 III–V 基陽離子-晶格三元體，包括八種已知化合物和兩種新預(yù)測化合物。
研究亮點
（1）實驗首次成功合成了一類基于 III–V 化合物的半導(dǎo)體二維范德華 (vdW) 晶體，具體為 HxA1–xBX 型，這些晶體展示了憶阻特性，具有潛在的應(yīng)用于記憶晶體管中的價值。
1. 采用頂化學(xué)蝕刻方法，從三元 A–B–X 化合物中制備了 vdW 晶體。通過系統(tǒng)的高通量篩選和數(shù)據(jù)驅(qū)動模型分析，識別了 322 種符合陽離子-晶格結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)的三元化合物，并篩選出 44 個 III–V 基化合物進(jìn)行合成。
2. 成功合成了 10 種 III–V 基陽離子-晶格三元體，其中包括 8 種已知化合物和 2 種新預(yù)測化合物。所合成的材料展示了電化學(xué)極化和憶阻現(xiàn)象，同時保持了半導(dǎo)體屬性。
3. 在單個門控記憶晶體管中實現(xiàn)了可調(diào)節(jié)的突觸功能和邏輯功能，充分利用了二維晶體的半導(dǎo)體和憶阻特性之間的協(xié)同作用。
4. 研究結(jié)果表明，基于 III–V 衍生的 vdW 晶體在二維材料領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用潛力，特別是在電子學(xué)、光子學(xué)和催化等領(lǐng)域。
圖文解讀
圖1： 新預(yù)測的質(zhì)子化 III–V 范德華晶體的實驗實現(xiàn)。圖2. 范德華 HxK1–xGaSb2 晶體及其電化學(xué)極化。圖3. 4O-HxK1–xGaSb2 的憶阻特性。 圖4. 單個 4O-HxK1–xGaSb2 記憶晶體管中的邏輯門。
總結(jié)展望
本文的研究揭示了利用頂化學(xué)蝕刻方法合成半導(dǎo)體 III–V 衍生范德華 (vdW) 晶體的潛力，特別是具備憶阻特性的材料。這一發(fā)現(xiàn)不僅拓展了二維半導(dǎo)體材料的應(yīng)用范圍，還為合成具有記憶功能的晶體管提供了新的思路。通過系統(tǒng)的高通量篩選和數(shù)據(jù)驅(qū)動的統(tǒng)計模型，我們成功識別了 322 種陽離子-晶格三元體中的 35 種 III–V 基化合物，并從中挑選出 10 種具有良好前景的候選材料。這些材料在保持半導(dǎo)體特性的同時，還展現(xiàn)了電化學(xué)極化和憶阻現(xiàn)象，為半導(dǎo)體器件的功能集成和性能提升提供了新的可能性。特別是在應(yīng)用方面，記憶晶體管的成功實現(xiàn)表明，基于這些二維 vdW 晶體的器件能夠結(jié)合記憶功能和開關(guān)能力，為電子學(xué)和光電子學(xué)領(lǐng)域帶來了更多創(chuàng)新的機會。未來的研究可以進(jìn)一步探索這些材料在實際應(yīng)用中的表現(xiàn)，并推動二維材料領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步。Bae, J., Won, J., Kim, T. et al. Cation-eutaxy-enabled III–V-derived van der Waals crystals as memristive semiconductors. Nat. Mater. (2024). https://doi.org/10.1038/s41563-024-01986-x
