二維（2D）材料，例如過渡金屬二硫屬化物（TMDs），因其獨特的特性在下一代電子器件中展現出巨大的潛力。這些特性包括原子尺度的厚度，能夠實現優異的靜電控制，以及無懸鍵的表面和范德華力（vdW）相互作用，使得它們成為解決硅基集成電路面臨的關鍵挑戰（如尺寸縮小、熱管理和存儲墻問題）的理想候選者。通過利用2D半導體的特性，場效應晶體管（FETs）和存儲器件的性能可以得到顯著提升。此外，基于2D材料的感知、存儲與計算一體化技術已經取得了巨大成功，為圖像和聲學模式識別與處理等應用提供了傳感器內/存儲器內計算的可能性。然而，盡管2D材料具有諸多優勢，但其vdW表面也帶來了關鍵挑戰：如何將高質量的高介電常數（high-k）介質與2D半導體集成，如同硅技術中所實現的一樣。傳統的非晶高-k介質，如鉿氧化物（HfO2）和鋁氧化物（Al2O3），由于2D材料表面缺乏懸鍵，在直接沉積過程中會出現較差的成核現象，導致界面質量不佳，表現為缺陷增加和對TMD層的不期望摻雜。因此，通常需要先沉積緩沖層或種子層來改善ALD工藝的效果。另一方面，轉移技術雖然可以分離介質的制備與集成過程，從而降低對合成溫度的要求，但也要求介質具備可轉移性。例如，單晶鈣鈦礦SrTiO3可以通過脈沖激光沉積制備，并作為獨立薄片轉移到TMD器件中。然而，這種方法受限于材料種類和功能的局限性，尤其是在需要多功能介質的情況下。因此，探索一種能夠兼容2D技術、支持轉移并與vdW材料形成異質結構的新型介質解決方案顯得尤為重要。液相化學法制備的金屬氧化物因其低成本、大規模制備能力和多樣化的功能特性，為這一挑戰提供了潛在的解決方案。

針對上述問題，由北京大學、中國科學院物理研究所、太原理工大學、延世大學等組成的研究團隊利用澤攸科技EBL電子束光刻機進行了深入研究，他們共同探索了通過濕化學方法制備可轉移的高介電常數（high-k）非晶金屬氧化物介質材料，并成功將其應用于二維電子器件中。相關成果以《Transferrable, wet-chemistry-derived high-k amorphous metal oxide dielectrics for two-dimensional electronic devices》為題發表在《nature communications》期刊上，原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-56815-9  

論文的主要研究內容圍繞一種濕化學方法制備的可轉移高介電常數（high-k）非晶金屬氧化物——銅鈣鈦礦氧化物（CCTO）展開。研究團隊通過佩欽尼（Pechini）法合成CCTO薄膜，這種方法利用檸檬酸螯合金屬陽離子并結合乙二醇引發聚合反應，從而在原子尺度上實現均勻混合。合成后的CCTO薄膜具有優異的介電性能和可轉移性，能夠與二維（2D）材料無縫集成，形成高質量的異質結構。這一技術突破解決了傳統沉積方法在2D材料上面臨的界面質量問題，同時避免了高溫制備對器件性能的影響。

圖 （a）CCTO薄膜的制備與轉移過程、（b）光學圖像、（c）表面形貌與高度分布、（d）拉曼光譜分析、（e）CCTO/MoS?異質結構的示意圖和STEM表征

研究進一步探討了CCTO薄膜的電學特性及其在2D電子器件中的應用潛力。通過金屬-絕緣體-金屬（MIM）結構測量，研究發現CCTO薄膜的介電常數高達42.9，表現出顯著的高-k特性。此外，CCTO薄膜在轉移到金（Au）基底或石墨烯等2D材料上后，其介電性能保持穩定，證明了轉移過程不會對其性能造成明顯退化。實驗還驗證了CCTO薄膜作為頂柵介質在雙柵石墨烯場效應晶體管（FET）中的實用性，其等效氧化物厚度（EOT）僅為0.9 nm，遠低于傳統高-k介質的水平。

圖 （a, b）CCTO薄膜在MIM器件中的C-V特性、（c）介電常數隨退火溫度的變化及其頻率依賴性、（d, e）作為頂柵介質時單層石墨烯FET的轉移特性與狄拉克點電壓分析，（f）三種雙柵晶體管的頂柵漏電流統計

更重要的是，CCTO薄膜不僅具備優異的介電性能，還展現了多功能特性。研究團隊利用CCTO的光學活性特性，在簡單的FET器件中實現了光寫電擦的浮柵操作，為邏輯運算與傳感器內計算提供了一種新型解決方案。這種基于CCTO的多功能器件能夠在單一架構中執行多達9種基本布爾邏輯運算，展示了其在低功耗、多功能2D電子系統中的巨大潛力。總體而言，這項研究不僅提出了一種新型的高-k介質材料制備方法，還為未來高性能、多功能2D電子器件的發展開辟了新途徑。

圖 （a）CCTO介電層 gated MoS?器件在光刺激下的光電響應特性、（b）非易失性光記憶行為、（c）光激活浮柵機制、（d）光/電調制浮柵水平的原理、（e）光寫電擦操作的循環演示，（f）基于該器件實現的邏輯運算功能，包括AND操作、（g, h）OR門的真值表與實驗驗證

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