近期，金属所研究人员利用范徳华人工堆垛技术，在少数原子层硫化钼（MoS₂）与金属电极之间插层高质量六方氮化硼（h-BN）隧穿结构，成功制造出能够通过门电压调制的双极反向整流器件。该项成果在单个纳米器件中集成了场效应管与多工作组态二极管（图1），有望开辟基于二维原子晶体的超微型信息器件的新途径。10月17日，英国《自然 通讯》(Nature Communications)期刊在线发表了该项研究成果。
　　众所周知，高质量层状垂直异质结的制备，通常需要利用超高真空分子束外延生长等手段。然而，此类制备方法对外延材料的基底晶格匹配等要求较高。范徳华堆垛方法是近年来兴起的凝聚态物理研究前沿之一，其利用层状材料的范徳华结合力，将不同的二维、准二维材料人工堆垛成为任意异质结构，可以大大降低受基底材料的局限。该方法一经发明，立刻在凝聚态物理领域引发了全球范围的研究热潮。目前，该体系已经在介观尺度下实现了由超高质量界面引起的整数与分数量子霍尔效应、电子光学等新奇物理特性。
　　金属所磁性材料与磁学研究部研究人员发明了倒置范徳华堆垛的新方法（图2）。解决了传统范徳华垂直异质结构难以获得高质量超薄顶层的结构性难题，目前已申请中国专利一项。基于上述倒置转印范徳华堆垛的制备方法，金属所研究人员以少数层二硫化钼（MoS₂）为研究体系，利用超薄（少数原子层）的六方氮化硼（h-BN）作为范德瓦尔斯异质结的隧穿层，系统开展了隧穿晶体管器件研究。研究表明，通过在金属（Au）和半导体（MoS₂）界面之间引入隧穿h-BN，可有效降低界面处的肖脱基势垒，从而实现通过局域石墨背栅的对通道MoS₂费米能级的精确静电调控（图3）。
　　所获得的MoS₂隧穿晶体管仅通过门电压调控即可以实现具有不同功能的整流器件，包括pn二极管、全关、np二极管、全开器件（图4）。这项工作利用电子隧穿，首次将双向可调的二极管和场效应管集成到单个纳米器件中（过去要通过集成电路才能实现），为未来超薄轻量化、柔性多工作组态的纳米器件开创了新的研究方向。
　　该项研究工作由沈阳材料科学国家（联合）实验室磁学与磁性材料研究部张志东研究员与韩拯研究员主持，国内外多家科研单位共同合作完成。金属所先进炭材料研究部孙东明研究员在微纳器件制备方面提供支持，半导体所姜向伟研究员小组进行了第一性原理计算模拟，北京大学量子中心陈剑豪教授小组提供了电子束曝光（EBL）加工支持，太原理工大学郭俊杰教授研究组进行了聚焦离子束（FIB）制备与透射电镜(TEM）表征，法国奈尔研究所Vincent Bouchiat教授小组提供了变频探针测试支持，长沙理工大学贾传坤教授参与了电学测量与分析工作。金属所博士研究生李小茜为论文的第一作者，半导体所范志强博士为第二作者（第一理论计算作者）。金属所韩拯研究员、孙东明研究员、半导体所姜向伟研究员为本文的共同通讯作者。
　　该项工作得到了国家青年****、国家自然科学基金、科技部重点研发项目、沈阳材料科学国家（联合）实验室等资助。
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图1 a) MoS₂隧穿晶体管示意图；b) 输入正弦波在门电压调制下的双向整流效应

图2 实验制备倒置范徳华堆垛异质结的示意图及光学照片

图3 a) MoS₂隧穿晶体管光学照片；b) 器件在源漏偏压和门电压参数空间中的输出电流特性; c) 样品的垂直截面透射电镜图像

图4 MoS₂隧穿晶体管仅通过门电压调控即可以实现具有不同功能的整流器件，包括正向导通、全关、负向导通、全开器件