王中林院士團隊《Nano Energy》：一種新型非易失性存儲器！

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考慮到對器件小型化和結構靈活性的新要求，原子薄二維(2D)材料由於其在未來電子學和光電子學中的獨特和巨大潛力而引起了衆多興趣。在各種2D材料中，單層二硫化鉬(MoS2)是一種典型的具有S-Mo-S三明治結構的過渡金屬二硫化鉬(TMD)，已被研究用於存儲應用。以往的研究報道了在金納米粒子、石墨烯等介質中存儲電荷的MoS2光存儲器。然而，正柵極電壓對於完全擦除存儲數據是不可避免的。因此，爲了擺脫柵極電壓的限制，可以使用摩擦電子晶體管將機械運動轉換成電信號。另外，爲了提高器件的存儲容量，必須選擇合適的高電荷可調的浮柵，爲多電平狀態提供優異的讀取電流。

中國科學院外籍院士王中林教授領導的團隊，提出了一種新穎的多位MoS2存儲器，它可以在不施加額外柵極電壓的情況下存儲光學和機械激勵信息。 相關論文以題爲“Mechanoplastic tribotronic two-dimensional multibit nonvolatileoptoelectronic memory”發表在Nano Energy上。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.105692

研究結果表明，這些存儲器件在不施加外部柵極電壓的情況下對存儲光電信號非常敏感。在編程過程中，TENG的機械運動和入射光都可以通過從NG層到MoS2溝道的隧穿電子來調節存儲狀態。相反，TENG的反向運動可以實現將電子隧穿回電荷俘獲層，導致數據完全擦除。高編程/擦除比>107。此外，該器件的循環耐久性時間超過105s，和可重複的多位編程/擦除狀態（超過200個循環）。考慮到二維材料優良的柔性和晶圓尺寸特性，柔性襯底上集成的MoS2存儲矩陣在應變大於1%的情況下仍能保持器件的穩定性，並具有記錄圖形光照的高空間分佈。所展示的NG/MoS2多功能存儲器爲圖像採集、機密信息記錄和機械擦除提供了一條低能耗的新途徑。

圖1a示出了單層二硫化鉬摩擦電子雙柵存儲器的示意圖，其中以納米晶體作爲電荷俘獲層。圖1a中的插圖顯示了通道長度和寬度分別約爲50微米和20微米的器件的光學顯微鏡圖像。

圖1 機械塑性摩擦電子MoS2非易失性存儲器示意圖。

研究人員在真空中測量了這些器件的電氣性能，以避免吸附的額外影響。首次製作了無浮柵的二硫化鉬晶體管作爲對照樣品。n型溝道器件的電壓轉移特性爲100毫伏到500毫伏，遷移率計算值分別大約爲54.3 cm2/Vs和開啓關閉率爲107。以NG爲浮柵的器件顯示出較大的遲滯，VG從-80V掃描至80 V，然後返回至-80 V，如圖2a所示。此外，具有浮柵的器件的長保持時間(> 1000秒)，這也證實了非離子電荷俘獲層的高存儲性能。

圖2 通過耦合TENG調節二硫化鉬存儲特性。

除了機械激勵之外，大的開關比與光致電荷俘獲相結合，使得NG/MoS2存儲器件能夠在光照射下作爲多位光電存儲器工作。爲了研究非易失性光電存儲特性，研究人員首先測量了一個典型器件在532納米激光脈衝照射(功率從0到5毫瓦)後的光致轉移特性，如圖3a所示。每條曲線都是在不同功率的激光開啓1秒鐘後在黑暗環境中測量的，黑線表示初始暗電流。根據圖3a的結果，在圖3b中繪製了VG=0 V時的光電流（Iph）和入射激光功率（PL）之間的關係。值得注意的是，提供更多光子吸收的較高激光功率有助於產生較大的光電流。

圖3 通過光學和機械激勵調節的二硫化鉬光電子記憶特性。

研究人員在柔性襯底上製作了納米二氧化硅/二氧化硅存儲陣列，以演示柔性存儲器件的應用。10×10器件陣列製作在面積約1×1cm2內，每個器件之間用約500 μm的間隙隔開。圖4a顯示了在聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)上的器件示意圖，該器件由兩個Al2O3層組成，分別爲30 nm和10 nm的阻擋層和隧道層。圖4(b)顯示了各種儲存狀態對應變的依賴關係。即使在應變大於1%的情況下，該器件也具有足夠穩定的存儲特性，這爲未來多功能柔性電子器件的應用提供了可能。

圖4 柔性襯底上集成多功能MoS2存儲器件。

綜上所述，研究人員製備了一種多位非易失性摩擦學光電雙門存儲器，該存儲器基於單層MoS2，以NG爲電荷俘獲層。該器件具備的靈活性使可穿戴存儲器在圖像捕獲和記錄方面的集成設備成爲可能，這爲下一代可穿戴醫療系統和人機交互鋪平了道路。（文：8 Mile）