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我校郭俊杰教授團隊在《Nature Communications》發(fā)表二維電子研究領域最新研究成果

：2025-02-24 來源：新材料界面科學與工程教育部重點實驗室 作者：文字/劉培植

近日，我校新材料界面科學與工程教育部重點實驗室郭俊杰教授團隊與北京大學材料學院劉磊教授團隊合作通過濕化學法制備出一種高k（介電常數為42.9）的非晶態(tài)銅鈣鈦酸鹽（CCTO）薄膜，并將其成功應用于二維電子器件中，顯著提升了器件的電學性能，并且展示了一種新型存算一體原型器件。相關成果發(fā)表于《Nature Communications》期刊，題目為“Transferrable, wet-chemistry-derived high-k amorphous metal oxide dielectrics for two-dimensional electronic devices”。該論文的第一署名單位為leyu.乐鱼(中国有限公司)官方网站，我校博士研究生藥志鑫和北京大學博士后田慧豐為論文共同第一作者，郭俊杰教授和北京大學劉磊教授為論文共同通訊作者。

圖1. 論文頁面截圖

二維材料（如過渡金屬二硫化物，TMDs）因其獨特的物理性質，在下一代電子器件領域展現出巨大潛力。然而，將高介電常數（k）介質集成到二維半導體上，同時保持低缺陷密度的界面，一直是制約二維器件實際應用的關鍵瓶頸。傳統(tǒng)的氣相沉積方法（如原子層沉積，ALD）在二維材料表面難以形成高質量的高k介質，因為二維材料表面缺乏懸掛鍵，導致成核困難。因此，開發(fā)一種能夠與二維材料兼容且具有良好界面質量的高k介質制備方法，對于推動二維電子器件的發(fā)展至關重要。

圖2. CCTO薄膜的制備和轉移

研究團隊采用濕化學法中的Pechini方法制備CCTO薄膜。該方法通過將金屬離子與檸檬酸配位形成螯合物，再通過乙二醇引發(fā)聚合，形成交聯(lián)網絡。經過低溫烘焙去除溶劑和有機成分后，得到均勻的非晶態(tài)CCTO薄膜。通過調節(jié)前驅體濃度和旋涂速度，可以精確控制薄膜厚度。此外，該薄膜具有可轉移性，能夠從生長基底上完整剝離，并轉移到目標基底上，與二維材料形成異質結構。

圖3. 高性能MoS2場效應器件和存算一體器件

該研究首次將濕化學法制備的高k非晶態(tài)金屬氧化物介質應用于二維電子器件中，不僅解決了傳統(tǒng)方法在二維材料上難以形成高質量高k介質的問題，還通過非晶薄膜的光學特性實現了邏輯運算與數據存儲功能的集成。這種基于CCTO薄膜的二維器件展現出低功耗、高性能和多功能集成的特點，為未來二維電子系統(tǒng)的發(fā)展提供了新的思路和方法。該成果有望推動二維材料在高性能計算、傳感器和邏輯電路等領域的廣泛應用。

本工作得到了北京市杰出青年科學基金、國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金和中國博士后科學基金等項目支持。

論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-56815-9

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