研究背景
随着电子和光电子应用的快速发展，二维半导体材料因其优异的物理特性而引起了广泛关注。这些材料不仅展示了半导体的基本属性，还可能展现出额外的物理现象，比如忆阻特性，这在电子存储和处理技术中具有重要应用潜力。然而，探索具有忆阻特性的半导体二维材料面临巨大挑战。虽然顶化学方法已成功合成了多种二维材料，但具备忆阻能力的半导体二维材料依然难以获得。忆阻器是一种结合了记忆特性和开关能力的三端器件，其通过低维材料的固有弱电静态屏蔽特性实现了潜在的功能扩展。这类结构不仅简化了交叉条阵列中的地址选择，还可能实现生物真实功能。然而，扩展具有忆阻行为的半导体范德华 (vdW) 材料库依然是一个主要挑战，尤其是在利用创新的软化学方法方面。软化学方法，尤其是选择性去除 A–B–X 三元化合物中的阳离子 A，以生产层状 B–X 化合物（其中 A 和 B 为阳离子，X 为阴离子），在这方面起到了重要作用。尽管这些方法已成功合成了多种二维过渡金属氧化物、硫化物和 MXenes，但合成具备忆阻特性的半导体二维 B–X 化合物仍然极为稀少。为应对这一挑战，韩国延世大学Aloysius Soon, Jinwoo Cheon, Cheolmin Park& Wooyoung Shim, 以及韩国陶瓷工程与技术研究所Jong-Young Kim教授合作在“Nature Materials”期刊上发表了题为“Cation-eutaxy-enabled III–V-derived van der Waals crystals as memristive semiconductors”的最新论文。研究人员进行了系统的高通量筛选，以识别具备忆阻特性的 III–V 族衍生范德华晶体。通过顶化学蚀刻方法，研究人员成功合成了 HxA1–xBX 型半导体 III–V 衍生 vdW 晶体，这些晶体展现了忆阻特性。 首先，通过识别具有阳离子-晶格结构的三元体，并使用 pymatgen 算法筛选出 94 种常见晶体结构，进一步进行高通量筛选，以检索 3,510 种元素组合，最终确定了 760 种已知阳离子-晶格三元体，其中包括 35 种 III–V 基化合物。通过数据驱动的统计模型生成了 1,827 种潜在未知化合物，并对其中 575 种（包括 15 种 III–V 三元体）进行了密度泛函理论 (DFT) 评估，最终识别出 127 种“未知”化合物。选择了其中 10 种 III–V 基阳离子-晶格三元体，包括八种已知化合物和两种新预测化合物。
研究亮点
（1）实验首次成功合成了一类基于 III–V 化合物的半导体二维范德华 (vdW) 晶体，具体为 HxA1–xBX 型，这些晶体展示了忆阻特性，具有潜在的应用于记忆晶体管中的价值。
1. 采用顶化学蚀刻方法，从三元 A–B–X 化合物中制备了 vdW 晶体。通过系统的高通量筛选和数据驱动模型分析，识别了 322 种符合阳离子-晶格结构标准的三元化合物，并筛选出 44 个 III–V 基化合物进行合成。
2. 成功合成了 10 种 III–V 基阳离子-晶格三元体，其中包括 8 种已知化合物和 2 种新预测化合物。所合成的材料展示了电化学极化和忆阻现象，同时保持了半导体属性。
3. 在单个门控记忆晶体管中实现了可调节的突触功能和逻辑功能，充分利用了二维晶体的半导体和忆阻特性之间的协同作用。
4. 研究结果表明，基于 III–V 衍生的 vdW 晶体在二维材料领域具有重要的应用潜力，特别是在电子学、光子学和催化等领域。
图文解读
图1： 新预测的质子化 III–V 范德华晶体的实验实现。图2. 范德华 HxK1–xGaSb2 晶体及其电化学极化。图3. 4O-HxK1–xGaSb2 的忆阻特性。 图4. 单个 4O-HxK1–xGaSb2 记忆晶体管中的逻辑门。
总结展望
本文的研究揭示了利用顶化学蚀刻方法合成半导体 III–V 衍生范德华 (vdW) 晶体的潜力，特别是具备忆阻特性的材料。这一发现不仅拓展了二维半导体材料的应用范围，还为合成具有记忆功能的晶体管提供了新的思路。通过系统的高通量筛选和数据驱动的统计模型，我们成功识别了 322 种阳离子-晶格三元体中的 35 种 III–V 基化合物，并从中挑选出 10 种具有良好前景的候选材料。这些材料在保持半导体特性的同时，还展现了电化学极化和忆阻现象，为半导体器件的功能集成和性能提升提供了新的可能性。特别是在应用方面，记忆晶体管的成功实现表明，基于这些二维 vdW 晶体的器件能够结合记忆功能和开关能力，为电子学和光电子学领域带来了更多创新的机会。未来的研究可以进一步探索这些材料在实际应用中的表现，并推动二维材料领域的技术进步。Bae, J., Won, J., Kim, T. et al. Cation-eutaxy-enabled III–V-derived van der Waals crystals as memristive semiconductors. Nat. Mater. (2024). https://doi.org/10.1038/s41563-024-01986-x
