CN115241307B - 一种二维硫化钼-硫化铌范德华异质结光突触器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光电子学和神经形态器件技术领域，提供了一种二维硫化钼‑硫化铌范德华异质结光突触器件及其制备方法。本发明提供的光突触器件包括依次层叠设置的衬底层、介电层、二维硫化钼/硫化铌垂直异质结和电极层，该器件在底栅压和激光脉冲的共同调控下具备较好的光响应行为，还表现出良好的可持续光电导现象，能够有效实现双脉冲易化、多组态光写入和电擦除等突触行为，有望在图像传感器、神经形态器件和光响应储存设备上应用。本发明采用前驱体旋涂辅助化学气相沉积法或熔盐辅助化学气相沉积法制备二硫化钼纳米片，采用熔盐辅助化学气相沉积法制备二硫化铌纳米片，整个生长过程可控、工艺稳定，容易获得结晶质量较好的二维垂直异质结材料。
Description
技术领域
本发明涉及光电子学和神经形态器件技术领域，特别涉及一种二维硫化钼-硫化铌范德华异质结光突触器件及其制备方法。
背景技术
信息时代的快速发展对计算机处理信息和数据的能力要求愈发苛刻，众多领域不断追求着更高的器件集成度和更小的器件特征尺寸。但是，摩尔定律指导的传统硅基半导体器件已经接近物理极限，同时传统计算机系统采用的冯·诺依曼架构框架已经难以满足人类社会急剧增加的数据量以及数据类型的要求，如何提高存储和运算的效率及降低功耗成为人类不得不解决的难题。因此，模仿人脑的存储与计算特性来构建全新的神经形态网络计算体系是未来信息技术领域发展的一个重要方向。但是，目前大部分人工智能的成果还是基于软件算法实现的，基于硬件的神经形态网络仍然没有实现。
具有突触功能的神经形态器件正是发展基于硬件的神经形态网络的关键之一。而二维材料具备比较成熟的制备技术、性质依赖于层数调控、低能耗和低运行电压等特征，进而成为了场效应晶体管、光电探测器、忆阻器、突触晶体管等电子和光电器件的优选材料。正是二维材料独特的原子结构以及新颖的电子和光学特性，容易被各种刺激所调节，使其在开发突触功能器件上发挥着重要作用。此外，二维材料种类丰富，每种材料都有其独特的性能。将不同性质的二维材料进行有序的范德华集成，可以有效地结合不同材料的优势，构造出具有新奇电学和光学物理特性的范德华异质结构，为开发新型突触器件和构建神经网络提供了更多的可能性。
近年来，光电子学和神经形态器件的研究正逐渐转移到基于二维材料和异质结构的功能性纳米器件的方向上来。MoS2是一种研究比较广泛的过渡金属二硫化物。2H相的MoS2具有稳定的结构形态和半导体特性，随着MoS2二维化，其能带结构也由间接带隙转变为直接带隙，并且能带间隙随层数变化，因此二维MoS2对外界光刺激具有较强的响应而表现出较好的电学和光电性能，可以用来构建异质结构中的光生载流子产生层。而NbS2作为一种典型的金属性过渡金属二硫化物，自身的金属性使其具有较高的载流子迁移率，可以用作构建金属-半导体范德华异质结，可以有效抑制电极材料的费米能级钉扎效应和调控肖特基势垒。基于MoS2和NbS2两者相似的晶体结构和有趣的带隙关系，两者构建的二维范德华异质结可以产生一些基于光电性能的可持续光电导现象。但是，目前本领域中利用MoS2/NbS2异质结构建的光突触器件的研究基本上处于空白。
发明内容
本发明目的在于提供一种二维硫化钼-硫化铌范德华异质结光突触器件及其制备方法。本发明提供的光突触器件不仅具有良好的光响应行为，还表面出良好的可持续光导电现象，能够有效实现双脉冲易化、多组态光写入和电擦除等突触行为，有望在图像传感器、神经形态器件和光响应储存设备上应用。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
一种二维硫化钼-硫化铌范德华异质结光突触器件，包括依次层叠设置的衬底层、介电层、二维硫化钼/硫化铌垂直异质结和电极层；所述电极层包括分别设置在二维硫化钼/硫化铌垂直异质结两端的源电极和漏电极；所述二维硫化钼/硫化铌垂直异质结包括生长在介电层表面的二硫化钼纳米片以及生长在所述二硫化钼纳米片表面的二硫化铌纳米片。
优选的，所述二硫化钼纳米片为单层或少层纳米片，厚度为0.8～3nm；所述二硫化铌纳米片为双层或少层纳米片，厚度为1.5～5nm。
优选的，所述衬底为硅衬底，所述介电层为二氧化硅层；所述源电极和漏电极均为钛-金复合电极，所述钛-金复合电极包括钛层和设置在钛层表面的金层。
本发明还提供了上述方案所述二维硫化钼-硫化铌范德华异质结光突触器件的制备方法，包括以下步骤：
提供带有介电层的衬底；
采用前驱体旋涂辅助化学气相沉积法或熔盐辅助化学气相沉积法在所述介电层表面生长二硫化钼纳米片；
采用熔盐辅助化学气相沉积法在所述二硫化钼纳米片表面生长二硫化铌纳米片，在介电层表面形成二维硫化钼/硫化铌垂直异质结；
在所述二维硫化钼/硫化铌垂直异质结表面制备源电极和漏电极，得到二维硫化钼-硫化铌范德华异质结光突触器件。
优选的，采用前驱体旋涂辅助化学气相沉积法生长所述二硫化钼纳米片的方法包括以下步骤：
在介电层表面旋涂钼前驱体溶液，按照气体流通的方向，将硫粉和涂覆有钼前驱体溶液的衬底依次置于管式炉中，在通入惰性气体的条件下进行热处理，得到二硫化钼纳米片。
优选的，采用所述前驱体旋涂辅助化学气相沉积法生长所述二硫化钼纳米片时，所述热处理的温度为700～850℃，保温时间为7～10min，所述惰性气体的流速为50～100sccm。
优选的，采用熔盐辅助化学气相沉积法生长所述二硫化钼纳米片的方法包括以下步骤：
将三氧化钼、氯化钠和分子筛混合，得到混合粉末；
按照气体流通的方向，将硫粉和所述混合粉末依次置于管式炉中，将带有介电层的衬底倒扣在所述混合粉末上方，在通入惰性气体的条件下进行热处理，得到二硫化钼纳米片。
优选的，采用所述熔盐辅助化学气相沉积法生长所述二硫化钼纳米片时，所述热处理的温度为700～850℃，保温时间为7～10min，所述惰性气体的流速为50～100sccm。
优选的，采用熔盐辅助化学气相沉积法生长所述二硫化铌纳米片的方法包括以下步骤：
将五氧化二铌和氯化钠混合，得到混合粉末；
按照气体流通的方向，将硫粉和所述混合粉末依次置于管式炉中，将生长有二硫化钼纳米片的衬底倒扣在所述混合粉末上方，在通入惰性气体-氢气混合气的条件下进行热处理，得到二硫化铌纳米片。
优选的，采用熔盐辅助化学气相沉积法生长所述二硫化铌纳米片时，所述热处理的温度为800～1000℃，保温时间为15～20min，所述通入惰性气体-氢气混合气的流速为50～100sccm。
本发明提供了一种二维硫化钼-硫化铌范德华异质结光突触器件，包括依次层叠设置的衬底层、介电层、二维硫化钼/硫化铌垂直异质结和电极层；所述电极层包括分别设置在二维硫化钼/硫化铌垂直异质结两端的源电极和漏电极；所述二维硫化钼/硫化铌垂直异质结包括生长在介电层表面的二硫化钼纳米片以及生长在所述二硫化钼纳米片表面的二硫化铌纳米片。本发明采用二硫化钼(MoS2)和二硫化铌(NbS2)构建垂直范德华异质结，两者具有相似的晶体结构和有趣的带隙关系，构建的二维范德华异质结可以产生基于光电性能的可持续光电导现象，该光突触器件的可持续光导电能保持3000s以上，且具有30％以上的残余光电导水平，能够有效实现双脉冲易化、多组态光写入和电擦除等突触行为，有望应用在图像传感器、神经形态器件、光响应储存设备和光电集成系统等方面。
本发明提供的基于二维硫化钼-硫化铌范德华异质结的光突触器件能够较好地模仿突触的可塑性，二硫化铌纳米片在二硫化钼纳米片上分散形核生长，在底栅压的调控下，分散二硫化铌的能带产生静电弯曲与二硫化钼的能带产生重叠。在激光脉冲的作用下，二硫化钼会出现光响应行为，源漏电流增大，并且产生的部分光生载流子会被分散的二硫化铌所捕获，因此在去掉光脉冲后，该光突触器件仍能保持在比暗态下更高的电流水平，表现出良好的可持续光电导现象。同时，通过施加电栅压脉冲，可以逐渐改变二硫化铌和二硫化钼的能带重叠程度，从而降低二硫化铌对光生载流子的捕获能力，因此该可持续光电导现象还可以通过电栅压脉冲来实现擦除。
本发明还提供了上述方案所述二维硫化钼-硫化铌范德华异质结光突触器件的制备方法。本发明采用前驱体旋涂辅助化学气相沉积法或熔盐辅助化学气相沉积法制备二硫化钼纳米片，采用熔盐辅助化学气相沉积法制备二硫化铌纳米片，整个生长过程可控、工艺稳定，容易获得结晶质量较好的二维垂直异质结材料。
附图说明
图1为实施例1中制备二维MoS2/NbS2垂直异质结的流程示意图；
图2为实施例1制备的二维MoS2/NbS2垂直异质结的光镜图(左)和原子力显微镜图(右)；
图3为实施例1制备的二维MoS2/NbS2范德华异质结光突触器件的结构示意图(左)和光镜图(右)；
图4为实施例1制备的光突触器件的单脉冲测试结果；
图5为实施例1制备的光突触器件的双脉冲易化行为测试结果；
图6为实施例1制备的光突触器件的光写入和电擦除行为测试结果。
具体实施方式
本发明提供了一种二维硫化钼-硫化铌范德华异质结光突触器件，包括依次层叠设置的衬底层、介电层、二维硫化钼/硫化铌垂直异质结和电极层；所述电极层包括分别设置在二维硫化钼/硫化铌垂直异质结两端的源电极和漏电极；所述二维硫化钼/硫化铌垂直异质结包括生长在介电层表面的二硫化钼纳米片以及生长在所述二硫化钼纳米片表面的二硫化铌纳米片。
在本发明中，所述二硫化钼纳米片为单层或少层纳米片，厚度优选为0.8～3nm；所述二硫化铌纳米片为双层或少层纳米片，厚度优选为1.5～5nm，所述少层纳米片具体是指厚度小于5nm的纳米片。
在本发明中，所述衬底优选为硅衬底，所述介电层优选为二氧化硅层；本发明对所述硅衬底和介电层的厚度没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知的厚度即可；所述源电极和漏电极均优选为钛-金复合电极，所述钛-金复合电极优选包括钛层和设置在钛层表面的金层；所述钛层的厚度优选为5～10nm，所述金层的厚度优选为20～50nm。
本发明还提供了上述方案所述二维硫化钼-硫化铌范德华异质结光突触器件的制备方法，包括以下步骤：
提供带有介电层的衬底；
采用前驱体旋涂辅助化学气相沉积法或熔盐辅助化学气相沉积法在所述介电层表面生长二硫化钼纳米片；
采用熔盐辅助化学气相沉积法在所述二硫化钼纳米片表面生长二硫化铌纳米片，在介电层表面形成二维硫化钼/硫化铌垂直异质结；
在所述二维硫化钼/硫化铌垂直异质结表面制备源电极和漏电极，得到二维硫化钼-硫化铌范德华异质结光突触器件。
在本发明中，所述带有介电层的衬底优选为带有氧化层的硅晶圆；本发明优选将所述带有氧化层的硅晶圆切割成硅片，然后进行清洗，之后再进行后续的制备。在本发明中，所述清洗优选为：在80℃的食人鱼溶液中清洗30min以上，接着取出用去离子水洗净，再用干燥氮气吹干备用。
清洗完成后，本发明采用前驱体旋涂辅助化学气相沉积法或熔盐辅助化学气相沉积法在所述介电层表面生长二硫化钼纳米片。在本发明中，采用前驱体旋涂辅助化学气相沉积法生长所述二硫化钼纳米片的方法包括以下步骤：
在介电层表面旋涂钼前驱体溶液，按照气体流通的方向，将硫粉和涂覆有钼前驱体溶液的衬底依次置于管式炉中，在通入惰性气体的条件下进行热处理，得到二硫化钼纳米片。
在本发明中，所述钼前驱体溶液优选为四水合钼酸铵和氢氧化钾的混合溶液，或为钼酸钠溶液；所述混合溶液中四水合钼酸铵的浓度优选为5～8mg/mL，氢氧化钾的浓度优选为10～15mg/mL，所述钼酸钠溶液的浓度优选为2～10mg/mL；所述钼前驱体溶液的制备方法优选为：将制备钼前驱体溶液的原料加入去离子水中，超声1～3min，得到钼前驱体溶液；所述钼前驱体溶液在介电层表面的涂覆量优选为5～10μL/cm2；所述旋涂的优选为3500rpm，旋涂的时间优选为30s。
旋涂完成后，本发明优选将衬底的旋涂有钼前驱体溶液的一面向上置于管式炉的炉膛中央，然后在管式炉的上游放置硫粉，所述硫粉和衬底的距离优选为15～20cm；本发明优选先通入惰性气体20min，排尽管式炉内的空气，然后再进行热处理。在本发明中，采用前驱体旋涂辅助化学气相沉积法生长所述二硫化钼纳米片时，所述热处理的温度优选为700～850℃，优选为750～800℃，保温时间优选为7～10min，更优选为8～9min，升温至所述热处理的温度的升温速率优选为40℃/min，在排空气的过程中以及在热处理过程中，所述惰性气体的流速优选为50～100sccm。在本发明中，所述惰性气体均优选为氩气，后续不再赘述。热处理完成后，自然冷却至室温，即得到生长有二硫化钼纳米片的衬底。
在本发明中，采用熔盐辅助化学气相沉积法生长所述二硫化钼纳米片的方法包括以下步骤：
将三氧化钼、氯化钠和分子筛混合，得到混合粉末；
按照气体流通的方向，将硫粉和所述混合粉末依次置于管式炉中，将带有介电层的衬底倒扣在所述混合粉末上方，在通入惰性气体的条件下进行热处理，得到二硫化钼纳米片。
在本发明中，所述分子筛优选为5A分子筛，所述5A分子筛的主要成分是3/4CaO·1/4Na2O·Al2O3·2SiO2·9/2H2O。分子筛的作用是吸附大量挥发出来的三氧化钼气体，然后再缓慢释放，有利于生长出厚度较小的硫化钼纳米片；所述三氧化钼、氯化钠和分子筛的质量比优选为(1～5):(1～5):(100～500)，更优选为(2～4):(2～4):(200～400)；在所述衬底面积为1cm2时，所述三氧化钼的用量优选为1～5mg；在本发明中，所述带有介电层的衬底优选倒扣在所述混合粉末上方1～5mm处，在本发明的具体实施例中，优选将混合粉末置于敞口容器中，然后将衬底介电层一面朝下扣在容器上。本发明优选将装有混合粉末并倒扣有衬底的容器置于管式炉的炉膛中央，然后在管式炉上游放置硫粉，所述硫粉和衬底的距离优选为15～20cm，所述硫粉和所述三氧化钼的用量比优选为250:(1～5)；硫粉、混合粉末以及衬底都放置好后，本发明优选先向管式炉中通入惰性气体20min，排尽管式炉内的空气，然后再进行热处理。在本发明中，采用熔盐辅助化学气相沉积法生长所述二硫化钼纳米片时，所述热处理的温度优选为700～850℃，优选为750～800℃，保温时间优选为7～10min，更优选为8～9min，升温至所述热处理的温度的升温速率优选为40℃/min，在排空气的过程中以及在热处理过程中，所述惰性气体的流速优选为50～100sccm。
二硫化钼纳米片生长完成后，本发明采用熔盐辅助化学气相沉积法在所述二硫化钼纳米片表面生长二硫化铌纳米片，在介电层表面形成二维硫化钼/硫化铌垂直异质结。在本发明中，采用熔盐辅助化学气相沉积法生长所述二硫化铌纳米片的方法包括以下步骤：
将五氧化二铌和氯化钠混合，得到混合粉末；
按照气体流通的方向，将硫粉和所述混合粉末依次置于管式炉中，将生长有二硫化钼纳米片的衬底倒扣在所述混合粉末上方，在通入惰性气体-氢气混合气的条件下进行热处理，得到二硫化铌纳米片。
在本发明中，所述五氧化二铌和氯化钠的质量比优选为(6～12):(1～2)；当所述衬底面积为1cm2时，所述五氧化二铌的用量优选为240～480mg；本发明优选将生长有二硫化钼纳米片的衬底倒扣在混合粉末上方1～5mm处，具体的操作方法和上述方案一致，在此不再赘述；本发明优选将装有混合粉末并倒扣有衬底的容器置于管式炉的炉膛中央，然后在管式炉上游放置硫粉，所述硫粉和衬底的距离优选为15～20cm，所述硫粉和所述五氧化二铌的用量比优选为(800～1000):(240～480)；硫粉、混合粉末以及衬底都放置好后，本发明优选先向管式炉中通入惰性气体-氢气混合气20min，以排尽管式炉内空气，然后再进行热处理。在本发明中，采用熔盐辅助化学气相沉积法生长所述二硫化铌纳米片时，所述热处理的温度优选为800～1000℃，优选为850～950℃，保温时间优选为15～20min，更优选为16～18min，升温至所述热处理的温度的升温速率优选为20℃/min，在排空气的过程中以及在热处理过程中，所述惰性气体-氢气混合气的流速优选为50～100sccm。在本发明中，所述惰性气体-氢气混合气优选为氩气和氢气的混合气，所述混合气中氢气的体积分数优选为5％。所述热处理完成后，优选快冷至室温；所述快冷优选为直接打开管式炉炉盖进行冷却，冷却速度约为100℃/min。
得到二维硫化钼/硫化铌垂直异质结后，本发明在所述二维硫化钼/硫化铌垂直异质结表面制备源电极和漏电极，得到二维硫化钼-硫化铌范德华异质结光突触器件。在本发明中，制备所述源电极和漏电极的方法优选为光刻-蒸镀法或铜网转移-蒸镀法，下面分别进行介绍。
在本发明中，所述光刻-蒸镀法优选包括以下步骤：
首先在生长好二维硫化钼/硫化铌垂直异质结的衬底上旋涂光刻胶并进行加热烘烤，得到光刻胶层；
使用激光直写工艺对所述光刻胶层进行光刻以实现图案化，然后将光刻好的衬底进行显影，获得露出电极图案的衬底；
采用电子束蒸镀法蒸镀钛层，再采用热蒸镀法蒸镀金层，之后将衬底浸泡在剥离液中，剥离多余的光刻胶，使Ti/Au电极留在样品表面，获得二维硫化钼-硫化铌范德华异质结光突触器件。
在本发明中，所述光刻胶优选为RZJ光刻胶，所述旋涂的转速为4000rpm，旋涂时间为30s，所述烘烤的温度为100℃，烘烤时间为90s，所述烘烤在加热平台上进行；所述显影用显影液优选为氢氧化钠溶液，所述氢氧化钠溶液的质量分数优选为5％，所述显影的时间优选为15～30s，显影完成后，使用去离子水洗净；所述剥离液优选为二甲基亚砜溶液或丙酮溶液，衬底在剥离液中浸泡的时间优选为30min以上。
在本发明中，所述铜网转移-蒸镀法优选包括以下步骤：
将铜网转移至二维硫化钼/硫化铌垂直异质结表面，利用铜网遮挡住沟道并露出源极和漏极的位置，然后采用胶带将铜网粘紧，之后采用电子束蒸镀法蒸镀钛层，再采用热蒸镀法蒸镀金层，蒸镀完成后将铜网剥离，得到源电极和漏电极；所述胶带为高温胶带。
本发明对所述转印铜网的方法、高温胶带的种类、电子束蒸镀以及热蒸镀的具体条件均没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知的方法即可。
下面结合实施例对本发明提供的方案进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
将带有氧化层的硅晶圆切成1×1cm大小的硅片，在80℃的食人鱼溶液中清洗30min以上，然后取出用去离子水洗净，再用干燥氮气吹干备用。称量50mg的四水合钼酸铵和100mg氢氧化钾固体，溶于10mL去离子水中，超声1min，得到钼前驱体溶液。使用移液枪移取5μL的钼前驱体溶液，涂覆在硅片带氧化层的一面，而后以3500rpm的转速旋涂30s以使溶液均匀涂覆。旋涂完成后，将所得的硅片抛光面向上放在管式炉的炉膛中央，将250mg硫粉置于管式炉上游，距离硅片15cm。然后通入氩气20min，充分排尽炉管内空气，之后以40℃/min的速率升温至800℃，保温7min，而后自然冷却至室温，整个过程的氩气流速为50sccm，最后取出样品得到生长有二维MoS2纳米片的硅片。
称取800mg的硫粉放置在炉管上游，再称取360mg五氧化二铌和60mg氯化钠粉末并充分混合，将长有二维MoS2的硅片倒扣在混合粉末上方1-5mm处，然后放置在炉膛中央。然后，通入Ar/H2混合气(5％H2)20min来充分排尽炉管内空气，之后以20℃/min的速率升温至900℃，保温15min，保温结束后快冷至室温，整个过程气体流速为50sccm。最后取出样品得到生长有二维MoS2/NbS2垂直异质结的硅片。
采用光刻法制备源电极和漏电极的步骤：首先在生长好的异质结的硅片上旋涂RZJ光刻胶，设置旋涂参数(4000rpm旋涂30s)，完成后在100℃加热平台上烘烤90s。旋涂完成后，使用激光直写工艺对光刻胶进行光刻以实现图案化，接着将光刻好的衬底在质量分数5％氢氧化钠溶液中显影15～30s，用去离子水洗净获得露出电极图案的衬底。光刻完成后采用电子束蒸镀法蒸镀钛层，再采用热蒸镀法蒸镀金层。蒸镀完成后，将衬底浸泡在二甲基亚砜溶液中30min以上，从而剥离多余的光刻胶使Ti/Au电极留在样品表面，获得二维MoS2/NbS2垂直异质结的源电极和漏电极。
图1为本实施例制备二维MoS2/NbS2垂直异质结的流程示意图，首先采用钼前驱体旋涂辅助化学气相沉积法合成二维MoS2纳米片，在此基础上采用熔盐辅助化学气相沉积法合成二维MoS2/NbS2异质结。
图2为本实施例制备的二维MoS2/NbS2垂直异质结的光镜图(左)和原子力显微镜图(右)。根据图2可以看出，NbS2纳米片在MoS2纳米片上随机弥散形核生长，MoS2纳米片为单层(厚度0.8nm)，NbS2纳米片为双层或少层(厚度约为1.5nm)。
图3为本实施例制备的二维硫化钼-硫化铌范德华异质结光突触器件的结构示意图(左)和光镜图(右)，结构示意图中的插图为器件横截面的示意图。
性能测试：
(1)使用探针台和光电测试平台来测试器件的光突触行为：以二氧化硅为介电层，在-50V底栅压的调控下，向器件沟道发射一个功率为1mW的532nm激光脉冲，脉冲周期为20s，占空比为50％，测试光突触器件的单脉冲行为。
图4本实施例制备的光突触器件的单脉冲行为测试结果。根据图4可以看出，光突触器件在撤去光照后，光电流出现一个缓慢弛豫的过程，并在50s之后基本达到稳态，经过150s测试依旧保持在一个高水平，经过曲线拟合估计可持续光导电保持时间能保持3000s以上，并且具有约37％的残余光电导水平。
(2)使用探针台和光电测试平台来测试器件的光突触行为：以二氧化硅为介电层，在-50V底栅压的调控下，向器件沟道发射功率为0.25mW的532nm激光双脉冲，脉冲周期为1000ms，占空比为50％，测试光突触器件的双脉冲易化行为。
图5为本实施例制备的光突触器件的双脉冲易化行为测试结果。根据图5可以看出，第二个光脉冲电流在第一个光脉冲电流的基础上有所提高，表现出了明显的双脉冲易化现象，能够有效模仿突触可塑性的短时程增强行为。
(3)器件的光写入与电擦除性能测试：以二氧化硅为介电层，保持-50V底栅压的调控，连续向器件沟道发射十五个功率为0.25mW的532nm激光脉冲，脉冲周期为1000ms，占空比为50％。紧接着，给器件连续施加十五个电栅压脉冲，脉冲振幅为-40V，脉冲周期为1000ms，占空比为50％。
图6为本实施例制备的光突触器件的光写入和电擦除行为测试结果。根据图6可以看出，器件的光响应电流随着光脉冲个数的增加而逐级升高，实现了器件的光脉冲多组态写入。紧接着，器件的电流随着电脉冲个数的增加而逐级降低，并且回到一开始没有激光脉冲照射的电流水平，实现了器件的电栅压多组态擦除。以上测试说明该器件能有效模仿突触可塑性的长时程增强和长时程抑制行为。
实施例2
其他条件和实施例1相同，仅将制备二硫化钼纳米片的方法改为熔盐辅助CVD法，具体步骤如下：
称取2mg三氧化钼粉末、2mg氯化钠固体和100mg分子筛充分混合，将洗好的硅片倒扣在混合粉末上方1-5mm处，然后放置在炉膛中央。再将称取250mg硫粉置于管式炉上游，距离硅片15cm。然后通入氩气20min来充分排尽炉管内空气，接着以40℃/min的速率升温至800℃，保温8min，而后自然冷却至室温，整个过程的氩气流速为50sccm，最后取出样品得到生长有二维MoS2的硅片。
按照实施例1的方法对实施例2制备的光突触器件进行性能测试，结果显示，所得光突触器件的性能和实施例1相似，表现出明显的双脉冲易化现象，且能有效模仿突触可塑性的长时程增强和长时程抑制行为。
以上实施例结果表明，本发明提供的二维硫化钼-硫化铌范德华异质结光突触器件在底栅压和激光脉冲的共同调控下，不仅具备较好的光响应行为，还出现良好的可持续光电导现象，能够有效实现双脉冲易化、多组态光写入和电擦除等突触行为，有望在图像传感器、神经形态器件和光响应储存设备上应用。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种二维硫化钼-硫化铌范德华异质结光突触器件，其特征在于，包括依次层叠设置的衬底层、介电层、二维硫化钼/硫化铌垂直异质结和电极层；所述电极层包括分别设置在二维硫化钼/硫化铌垂直异质结两端的源电极和漏电极；所述二维硫化钼/硫化铌垂直异质结包括生长在介电层表面的二硫化钼纳米片以及生长在所述二硫化钼纳米片表面的二硫化铌纳米片；
所述二硫化钼纳米片的厚度为0.8～3nm；所述二硫化铌纳米片的厚度为1.5～5nm；
所述二维硫化钼-硫化铌范德华异质结光突触器件的制备方法包括以下步骤：
提供带有介电层的衬底；
采用前驱体旋涂辅助化学气相沉积法或熔盐辅助化学气相沉积法在所述介电层表面生长二硫化钼纳米片；
采用熔盐辅助化学气相沉积法在所述二硫化钼纳米片表面生长二硫化铌纳米片，在介电层表面形成二维硫化钼/硫化铌垂直异质结；
在所述二维硫化钼/硫化铌垂直异质结表面制备源电极和漏电极，得到二维硫化钼-硫化铌范德华异质结光突触器件；
采用前驱体旋涂辅助化学气相沉积法生长所述二硫化钼纳米片的方法包括以下步骤：在介电层表面旋涂钼前驱体溶液，按照气体流通的方向，将硫粉和涂覆有钼前驱体溶液的衬底依次置于管式炉中，在通入惰性气体的条件下进行热处理，得到二硫化钼纳米片；
采用熔盐辅助化学气相沉积法生长所述二硫化钼纳米片的方法包括以下步骤：将三氧化钼、氯化钠和分子筛混合，得到混合粉末；按照气体流通的方向，将硫粉和所述混合粉末依次置于管式炉中，将带有介电层的衬底倒扣在所述混合粉末上方，在通入惰性气体的条件下进行热处理，得到二硫化钼纳米片。
2.根据权利要求1所述的二维硫化钼-硫化铌范德华异质结光突触器件，其特征在于，所述衬底为硅衬底，所述介电层为二氧化硅层；所述源电极和漏电极均为钛-金复合电极，所述钛-金复合电极包括钛层和设置在钛层表面的金层。
3.权利要求1～2任意一项所述二维硫化钼-硫化铌范德华异质结光突触器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供带有介电层的衬底；
采用前驱体旋涂辅助化学气相沉积法或熔盐辅助化学气相沉积法在所述介电层表面生长二硫化钼纳米片；
采用熔盐辅助化学气相沉积法在所述二硫化钼纳米片表面生长二硫化铌纳米片，在介电层表面形成二维硫化钼/硫化铌垂直异质结；
在所述二维硫化钼/硫化铌垂直异质结表面制备源电极和漏电极，得到二维硫化钼-硫化铌范德华异质结光突触器件；
采用前驱体旋涂辅助化学气相沉积法生长所述二硫化钼纳米片的方法包括以下步骤：在介电层表面旋涂钼前驱体溶液，按照气体流通的方向，将硫粉和涂覆有钼前驱体溶液的衬底依次置于管式炉中，在通入惰性气体的条件下进行热处理，得到二硫化钼纳米片；
采用熔盐辅助化学气相沉积法生长所述二硫化钼纳米片的方法包括以下步骤：将三氧化钼、氯化钠和分子筛混合，得到混合粉末；按照气体流通的方向，将硫粉和所述混合粉末依次置于管式炉中，将带有介电层的衬底倒扣在所述混合粉末上方，在通入惰性气体的条件下进行热处理，得到二硫化钼纳米片。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，采用所述前驱体旋涂辅助化学气相沉积法生长所述二硫化钼纳米片时，所述热处理的温度为700～850℃，保温时间为7～10min，所述惰性气体的流速为50～100sccm。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，采用所述熔盐辅助化学气相沉积法生长所述二硫化钼纳米片时，所述热处理的温度为700～850℃，保温时间为7～10min，所述惰性气体的流速为50～100sccm。
6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，采用熔盐辅助化学气相沉积法生长所述二硫化铌纳米片的方法包括以下步骤：
将五氧化二铌和氯化钠混合，得到混合粉末；
按照气体流通的方向，将硫粉和所述混合粉末依次置于管式炉中，将生长有二硫化钼纳米片的衬底倒扣在所述混合粉末上方，在通入惰性气体-氢气混合气的条件下进行热处理，得到二硫化铌纳米片。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，采用熔盐辅助化学气相沉积法生长所述二硫化铌纳米片时，所述热处理的温度为800～1000℃，保温时间为15～20min，所述通入惰性气体-氢气混合气的流速为50～100sccm。
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|---|---|---|---|
| CN202210884909.2A Active CN115241307B (zh) | 2022-07-26 | 2022-07-26 | 一种二维硫化钼-硫化铌范德华异质结光突触器件及其制备方法 |
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| CN110416065A (zh) * | 2019-07-29 | 2019-11-05 | 湖南大学 | 二硫化钼/二硒化钨垂直异质结的制备方法 |
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- 2022-07-26 CN CN202210884909.2A patent/CN115241307B/zh active Active
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Non-Patent Citations (2)
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| Epitaxial growth of metal-semiconductor van der Waals heterostructures NbS2/MoS2 with enhanced performance of transistors and photodetectors;Peng Zhang 等;SCIENCE CHINA Materials;第63卷(第8期);第1548-1559页 * |
| Peng Zhang 等.Epitaxial growth of metal-semiconductor van der Waals heterostructures NbS2/MoS2 with enhanced performance of transistors and photodetectors.SCIENCE CHINA Materials.2020,第63卷(第8期),第1548-1559页. * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN115241307A (zh) | 2022-10-25 |
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