Science Advances：MoS2/PbS范德瓦尔斯异质结中的非易失性存储设备的红外记忆

【引言】

存储器件构成了现代电子信息产业的基础，它们的操作原理主要集中在电气或磁性操作上，而用于信息存储和处理的光电子器件却受到的关注较少。能够捕获和沉积物质的电磁辐射并用作光激活光电子存储器件对于光通信、记录和计算的发展至关重要。用于信息存储和处理的光电子器件由于其在光学记录和计算中的重要应用而处于光通信技术的核心，然而，能够将红外数据转换并存储为电信号从而实现光学数据通信的光电子器件尚未实现。

【成果简介】

近日，来自国家纳米科学中心江潮（百人计划、通讯作者）、何军（百人计划、共同通讯作者）的团队在Science Advances发表了题为Nonvolatile infrared memory in MoS₂/PbS van der Waals heterostructures的文章，该团队报告了一个使用MoS₂/PbS范德瓦尔斯异质结构的红外记忆装置，其中红外脉冲激发了一个持久的电阻状态，在实验时间尺度内（超过104秒）几乎没有放松。该设备即使在断电3小时后也能完全恢复内存状态，这表明它具有非易失性存储设备的潜力。在定量分析的理论模型的支持下，他们提出光存储器和电擦除现象分别起源于PbS中红外诱导的空穴的局部化以及来自MoS₂到PbS的电子脉冲增强隧道效应。基于MoS₂异质结构的存储器件为光电子红外存储器和可编程逻辑器件开辟了一个新的领域。

【图文导读】

图1:红外记忆装置的原理图和光电传输性能

A: 红外记忆装置的示意图；

B: 异质结构的带状排列；

C: 可变光功率密度的红外照明传输特性曲线；

D: 光电流曲线；

E: 在MoS₂通道中载流子密度的数值模拟；

F: 功率密度的响应度和特定检测率的依赖性显。

图2:PPC和可擦写内存

A-B: MoS₂-PbS分子结构和纯MoS₂的时间演化；

C: 使用红外激光脉冲和栅极电压脉冲分别写入和擦除存储器。

图3:红外存储和Vg脉冲擦除的物理原理

A: 时间演化的MoS₂-PbS叠层结构中载流子分布的时间演化；

B: 作为时间函数的红外激光脉冲和Vg脉冲的大小；

C: MoS₂中载流子浓度变化时间的变化。

图4:定量分析电荷存储

A: 通过隧穿或热离子发射电子转移MoS₂- PbS异质结构的界面的示意图；

B: Vg与△n关系图；

C: MoS₂中脉冲-去除电子密度的定量分析。

图5:红外记忆体的性能评估

A: 电荷储存稳定性；

B: 光学写入和电擦除操作的耐力；

C: 多个激光脉冲连续地对四个状态进行编程。

【小结】

该团队提出了一种MoS₂-PbS非易失性光学存储单元，可有效地工作在光通信波段。这些器件通过光栅效应进行工作，从而在没有任何外部电压偏置的情况下持续保留电荷。即使器件断电3小时，读出电流也能完全恢复存储器状态，并且在他们的测量范围内（大于104秒）不会发生衰减，表明这是一种有前途的非易失性电荷存储装置。这些器件具有200K以上的记忆效应温度限制消失，这可以通过插入缓冲层来改善，所展示的设备显示出长期稳定性（2000周期）。

文献链接：Nonvolatile infrared memory in MoS2/PbS van der Waals heterostructures（Science Advances,2018, DOI: 10.1126/sciadv.aap7916）

本文由材料人电子电工学术组杨超整理编辑。

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