跨学科制备具有忆阻特性的半导体二维材料！

【研究背景】

二维材料因其独特的物理特性和广泛的应用前景成为了研究热点。然而，尽管传统的顶化学方法已成功合成了多种二维材料，但具备忆阻特性的半导体二维材料仍然较为稀少。特别是基于 III–V 族化合物的半导体二维材料，由于其显著的电学性能和潜在的应用价值，成为了研究的重点。

然而，合成具有忆阻特性的半导体二维材料面临着许多挑战，特别是如何在保持其半导体属性的同时，实现忆阻特性，尤其是对于 III–V 族化合物，以其强健的共价键和特定的结构偏好如锌闪烁体或纤锌矿结构，合成自由立的 III–V 范德华晶体，尤其是具有忆阻特性的晶体，仍然是一个重大科学难题。

有鉴于此，韩国首尔延世大学Aloysius Soon, Jinwoo Cheon, Cheolmin Park& Wooyoung Shim, 以及韩国益川韩国陶瓷工程与技术研究院Jong-Young Kim教授合作采用了顶化学蚀刻方法制备了一类半导体 III–V 衍生的范德华晶体，特别是 HxA1–xBX 型，这些晶体展现了忆阻特性。通过系统的高通量筛选，识别了 322 种符合阳离子-晶格结构标准的三元体，并从中成功合成了 10 种 III–V 基阳离子-晶格三元体，其中包括已知的和新预测的化合物。这些材料在保持半导体属性的同时，展现了电化学极化和忆阻现象，并在单个门控记忆晶体管中实现了可调节的突触和逻辑功能。该研究不仅推动了 III–V 范德华晶体的合成进展，也为二维材料领域带来了新的可能性。

【表征亮点】

1. 实验首次合成了半导体 III–V 衍生的范德华晶体：本文首次通过顶化学蚀刻方法成功合成了一类具有忆阻特性的半导体 III–V 衍生范德华晶体，特别是 HxA1–xBX 型。该晶体展示了半导体和忆阻特性的结合，为记忆晶体管的应用提供了新的可能性。

2. 实验通过高通量筛选和密度泛函理论评估获得了潜在候选材料：

• 通过系统的高通量筛选，作者对 3,510 种 A‒B‒X 系统的元素组合进行了检查，发现了 760 种已知的阳离子-晶格三元体，包括 35 种 III–V 基化合物。

• 采用数据驱动的统计模型，作者生成了 1,827 种建议的潜在未知化合物，并对其中 575 种进行了进一步的 DFT 评估，识别出了 127 种“未知”化合物。

• 在这些建议的 III–V 三元体中，有九种化合物在期望的能量范围内，成为 III–V vdW 晶体合成的有前景候选者。

3. 实验展示了记忆晶体管中的突触和逻辑功能：

作者成功演示了在单个门控记忆晶体管中实现了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. 展望和挑战：

本研究为 III–V 衍生的 vdW 晶体合成提供了新的思路，展示了多种阳离子-晶格三元体在进一步 vdW 晶体合成中的潜力。然而，仍面临定义阳离子-晶格结构描述符、实现单层剥离和扩大合成规模等挑战。

【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。

【科学启迪】

本文突破了二维材料领域的创新界限，通过成功合成了一类具有忆阻特性的半导体 III–V 衍生范德华晶体。这一研究不仅扩展了半导体范德华材料的库，还首次将忆阻特性与半导体特性结合，展示了记忆晶体管在单个晶体管中的突触和逻辑功能。这一进展主要得益于顶化学蚀刻方法和高通量筛选技术的有效结合，这为未来探索新型二维材料提供了新的思路和工具。

通过系统化筛选和数据驱动的模型预测，研究者们发现了多种潜在的 III–V 基化合物，并成功合成了几种新型的三元体。该方法不仅为合成具有独特电气特性的二维材料提供了理论基础，还展示了如何利用软化学方法拓展材料库。未来，类似的策略可以应用于其他类型的二维材料，促进电子学、光子学和催化等领域的技术进步。

参考文献：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