【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】在大數(shù)據(jù)和人工智能時代，海量數(shù)據(jù)存儲對存儲器性能提出更高要求，但傳統(tǒng)存儲器在尺寸微縮、耐久性和數(shù)據(jù)保持能力等方面面臨嚴峻挑戰(zhàn)。二維半導體材料，如單層二硫化鉬(MoS2)以其超薄結構、無懸掛鍵界面和可調的能帶結構，被視為下一代存儲器的理想候選材料。然而，尋找與之兼容、可規(guī)模化制備且性能優(yōu)異的電荷捕獲層，成為制約其發(fā)展的關鍵問題。
針對這一挑戰(zhàn)，上?？萍即髮W物質科學與技術學院紀清清課題組與濮超丹課題組合作，設計了一種混合維度存儲器結構：將單層MoS2與CdSe@CdS核殼量子點相結合，構建了具有高耐久性的非易失性存儲器。該研究成果已于近期發(fā)表在Cell Press旗下知名期刊Matter。
研究團隊通過合成具有多面體形貌的核殼量子點(QDs)，并采用電化學惰性配體(RNH2)對其表面進行鈍化處理，顯著降低了表面缺陷密度，提升了量子點的光電穩(wěn)定性(圖1)。隨后，單層MoS2被轉移至量子點薄膜上，使MoS2發(fā)揮雙重作用：既作為晶體管溝道負責電荷傳輸，又作為保護層提升量子點的環(huán)境穩(wěn)定性。
圖1：器件的結構設計與材料表征
研究人員在SiO2/Si基底上制備的MoS2/QDs存儲器件表現(xiàn)出優(yōu)異的電學性能。測試結果顯示，該器件在不同背柵電壓掃描下均呈現(xiàn)顯著的遲滯窗口與非易失特性，綜合性能遠超單一MoS2器件。此外，在脈沖柵壓編程下，器件展現(xiàn)出穩(wěn)定的開關循環(huán)能力。在撤去柵壓后，其存儲狀態(tài)仍可被有效讀取(圖2)。
圖2：存儲窗口對比與穩(wěn)定的開關特性
為深入解析MoS2/QDs存儲器件的電荷存儲機理，研究團隊從材料設計與電學行為兩個層面開展了系統(tǒng)研究。比較不同表面鈍化質量的量子點發(fā)現(xiàn)，存儲窗口隨量子點表面質量的提升顯著擴大，其中經RNH2配體鈍化的樣品獲得了約140 V的最大窗口，充分表明表面缺陷的抑制是提升存儲性能的關鍵。在分析存儲窗口隨柵壓變化的關系時發(fā)現(xiàn)，曲線在約40–50 V柵壓區(qū)間出現(xiàn)明顯拐點，高柵壓區(qū)域斜率陡增，表明在強電場條件下，F(xiàn)owler–Nordheim(FN)隧穿機制被激活，成為電荷注入的新通道。為厘清不同機制對電荷存儲的貢獻，團隊進一步開展了變溫電學測試與理論建模。結果顯示，在柵壓調制下，熱電子發(fā)射與FN隧穿共同主導了存儲過程，從而澄清了此前學界對該類器件工作機制的模糊認識。
基于上述實驗證據(jù)，團隊創(chuàng)新性地提出“級聯(lián)電荷轉移”機制與“中繼站”物理模型。該模型將電子轉移過程形象地比喻為一場“接力賽”：電子首先從MoS2溝道可逆地注入至CdS殼層表面——這一步驟由化學勢梯度誘導發(fā)生；隨后，在較高柵壓驅動下，電子通過FN隧穿穿越殼層勢壘，被穩(wěn)定限域在CdSe核內，實現(xiàn)長期存儲(圖3)。
圖3：器件變溫測試與級聯(lián)電荷轉移機制
對該非易失存儲器件的性能極限測試表明，器件在5萬次循環(huán)測試后性能未見衰減，十年電荷保持率預計高達96.5%，展現(xiàn)出優(yōu)異的存儲可靠性與穩(wěn)定性，性能優(yōu)于此前報道的大多數(shù)量子點存儲器(圖4)。
得益于上?？萍即髮W物質科學與技術學院出色的學科交叉平臺，本項研究通過跨學科的材料設計，巧妙結合二維MoS2優(yōu)異的柵控特性與零維核殼量子點卓越的電荷限域能力，成功構筑出高性能混合維度存儲器。該工作不僅將核殼量子點的應用潛力精準解鎖至電子存儲領域，更深刻揭示了表面鈍化與結構工程在提升器件性能中的核心作用，為后摩爾時代存儲技術的創(chuàng)新發(fā)展提供了新范式。
上海科技大學物質學院博士研究生裘元園和趙卓博士為共同第一作者，紀清清教授和濮超丹教授為共同通訊作者。上海科技大學為唯一完成單位。
圖4：長時存儲測試與文獻存儲性能對比
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