二維（2D）材料對于下一代電子學(xué)具有變革性的潛力。將高介電常數(shù)（k）電介質(zhì)集成到2D半導(dǎo)體上，同時(shí)通過低缺陷密度的界面保持其原始屬性，被證明是具有挑戰(zhàn)性的，并成為其實(shí)際應(yīng)用的一個性能瓶頸。

2025年2月10日，太原理工大學(xué)郭俊杰、北京大學(xué)劉磊在國際知名期刊Nature Communications發(fā)表題為《Transferrable, wet-chemistry-derived high-k?amorphous metal oxide dielectrics for two-dimensional electronic devices》的研究論文，2020級博士生藥志鑫、田慧豐為論文共同第一作者，郭俊杰、劉磊為論文共同通訊作者。

郭俊杰，太原理工大學(xué)教授、課題組長。1980年出生，2003年、2007年獲太原理工大學(xué)學(xué)士和碩士學(xué)位（導(dǎo)師：許并社），2010年在日本東北大學(xué)獲得博士學(xué)位（導(dǎo)師：陳明偉）。2011-2014年在橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室從事博士后研究（導(dǎo)師：Stephen J. Pennycook），2014年加入太原理工大學(xué)，2015年晉升為教授。

郭俊杰教授主要研究新型二維材料的結(jié)構(gòu)調(diào)控、原子結(jié)構(gòu)解析及其在能源催化領(lǐng)域的應(yīng)用，共發(fā)表論文150余篇，包括Nature Commun.、Adv. Sci.、Appl. Catal. B: Environ.、Nano Energy、Small、Acta Mater.、Chem. Eng. J.、Carbon、J. Mater. Chem. A。授權(quán)中國發(fā)明專利10余項(xiàng)。

劉磊，北京大學(xué)長聘副教授。2006年本科畢業(yè)于武漢大學(xué)，2012年獲中國科學(xué)院物理研究所博士學(xué)位，2012-2017年先后在美國田納西大學(xué)諾克斯維爾分校、美國西北大學(xué)從事博士后研究，2017年以特聘研究員、博士生導(dǎo)師加入北京大學(xué)，2024年晉升為長聘副教授。

劉磊副教授的研究興趣為低維輕元素量子材料的可控制備和性質(zhì)研究，目前關(guān)注的體系包括（不限于）：1）二維體系中的同位素效應(yīng)；2）新型二維輕元素量子材料；3）輕元素?zé)o序材料。已發(fā)表科研論文超過50篇，其中包括Nature、Science、Nature子刊、PNAS、PRL、JACS、Adv. Mater.、ACS Nano、Nano Lett.等。

在本文中，作者報(bào)道了一種基于濕化學(xué)的方法來制備非晶態(tài)、可轉(zhuǎn)移的高k（42.9）銅鈣鈦酸鹽（CCTO）薄膜，以其作為2D電子設(shè)備的高質(zhì)量雙功能電介質(zhì)。

基于螯合作用的Pechini方法保證了這種鈣鈦礦型復(fù)合氧化物的均勻性，而可轉(zhuǎn)移的特性允許其無害地集成到與納米間隙接口的2D半導(dǎo)體中。CCTO柵控MoS₂器件展現(xiàn)出降至67 mV dec^-1的亞閾值擺幅和約1 mV/(MV cm^-1)的超小滯回。

此外，利用其在可見光下的活性特性，作者在CCTO中實(shí)現(xiàn)了電操縱、光激活的非易失浮柵，使得在單個場效應(yīng)器件架構(gòu)內(nèi)重新配置執(zhí)行9個基本布爾邏輯傳感器操作成為可能。

這一進(jìn)步為通過結(jié)合多功能的傳統(tǒng)復(fù)合氧化物來開發(fā)多功能、低功耗的2D電子系統(tǒng)鋪平了道路。

圖1：Pechini法衍生的CCTO薄膜的制備與轉(zhuǎn)移

圖2：Pechini法衍生的CCTO薄膜的介電性能

圖3：CCTO柵控MoS₂器件的器件性能

圖4：非易失性光電存儲和邏輯運(yùn)算

綜上，本研究通過濕化學(xué)法成功制備了可轉(zhuǎn)移的高介電常數(shù)（高k）非晶態(tài)金屬氧化物銅鈣鈦酸鹽（CCTO）薄膜，并將其應(yīng)用于2D電子器件中，作為高質(zhì)量的雙功能介質(zhì)。

研究發(fā)現(xiàn)，CCTO薄膜具有高介電常數(shù)（42.9）和良好的光學(xué)活性，能夠顯著提升2D半導(dǎo)體器件的性能。CCTO/過渡金屬二硫化物（TMDs）器件展現(xiàn)出極低的亞閾值擺幅（67 mV/dec）和超小的滯回現(xiàn)象（約1 mV/(MV cm^-1)）。

此外，利用CCTO的光學(xué)特性，實(shí)現(xiàn)了在單個場效應(yīng)晶體管架構(gòu)中進(jìn)行光激活的非易失性浮柵操作，能夠執(zhí)行9種基本的布爾邏輯運(yùn)算。該研究為2D電子器件的發(fā)展提供了新的高性能介質(zhì)材料，推動了多功能、低功耗2D電子系統(tǒng)的開發(fā)。

這種基于CCTO薄膜的2D電子器件在高性能計(jì)算、低功耗邏輯電路、光電器件以及傳感器等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。其獨(dú)特的光學(xué)和電學(xué)特性使其在光激活存儲和邏輯運(yùn)算方面展現(xiàn)出巨大潛力，有望為下一代電子技術(shù)的發(fā)展提供重要支持。

Yao, Z., Tian, H., Sasaki, U.?et al.?Transferrable, wet-chemistry-derived high-k?amorphous metal oxide dielectrics for two-dimensional electronic devices.?Nat. Commun., (2025).