由于二维材料自身独特的物理性质，基于二维材料的电子器件在最近几年被广泛研究和报导。大量实验以二维材料为模板，通过调节掺杂状态来实现二维p-n结和反相器等逻辑电路中的必备元件。表界面电荷掺杂可以有效地实现可调控的单极性场效应晶体管，然而其不可逆性和不可编辑性限制了这种方法在逻辑电路中的应用。双极性的WSe2和MoTe2可以通过分离栅极来实现同质p-n结，但在移除栅极电压后，这种p-n结无法稳定保持，说明了其挥发性。在石墨烯中已经发现了非挥发性的可编辑光掺杂效应，但能带的缺失使石墨烯不适合应用在逻辑电路中。
近日，新加坡国立大学陈伟教授报道了基于MoTe2和BN异质结的非挥发性的可编辑光掺杂效应。首先，通过在光照条件下调节栅极电压的大小，MoTe2的电子输运性质可以被精确地调控。其次，栅极电压的极性使得这种光掺杂效应可以被多次稳定地编辑和擦除，并且在没有外界干扰的情况下可以保持超过14天。另一方面，通过控制异质结的器件结构和MoTe2上的光照区域，实现了基于单一材料的p-n结和反相器。p-n结的理想因子和整流特性比例分别达到了1.13和1.7x，反相器的gain也达到了98。
由图1可以看出，在光照条件下，当MoTe2/BN异质结处于不同的负向栅极电压时，MoTe2可以被不同程度地掺杂并将电子存储在其中。掺杂过程完成后，无光环境下测试MoTe2的输运曲线发生了明显的变化。
图1.MoTe2/BN异质结的光掺杂原理。(a)MoTe2/BN异质结器件结构图。(b)MoTe2场效应晶体管的输运特性曲线。异质结的掺杂过程(c)和掺杂完成后(d)的能带结构图。
通过调节MoTe2/BN异质结的栅极电压，可以有效地调控MoTe2的输运性质，增加其电子浓度和迁移率。被掺杂的MoTe2在14天后仍然能够保持稳定的电流和迁移率，说明其优异的非挥发性能。异质结在经过20个编程/擦除循环后，其性能也保持不变。
图2.掺杂电压可调的MoTe2/BN异质结以及其稳定性测试。在不同掺杂电压下的(a)输运特性曲线和(b)电子掺杂浓度和迁移率。(c)掺杂电流和(d)电子浓度和迁移率的稳定性。(e)-(f)掺杂/擦除循环次数。
通过调节异质结的结构，作者实现了基于单一材料的非挥发性p-n结，其理想因子和整流特性比例分别达到了1.13和1.7x。
图3.MoTe2p-n结。
通过使用石墨烯作为栅电极并控制光照区域，作者实现了gain值达到98的MoTe2反相器。
图4.MoTe2反相器。
总结
在这个工作中，作者们通过MoTe2和BN的异质结，发现了非挥发性的可编辑光掺杂效应。其掺杂效果可以稳定保持14天以上，并且能够通过至少20个掺杂/擦除循环而不降低质量。另一方面，通过调节异质结的结构和光照区域，作者实现了基于同种材料的p-n结和反相器，表明了光掺杂技术在二维材料异质结逻辑电路中的巨大应用前景。这一成果近期发表于AdvancedMaterials，文章的第一作者是新加坡国立大学化学系博士后刘陶和向都，通讯作者是向都博士和陈伟教授。
该论文作者为：TaoLiu,DuXiang,YueZheng,YananWang,XinyunWang,LiWang,JunHe,LeiLiu,WeiChen
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