突破传统！基于二维离子材料的可重构电路如何颠覆未来信息处理？

为解决可重构电子设备结构复杂的问题，复旦大学研究人员开展基于二维层状 CuInP?S?（CIPS）材料的可重构同质结研究。结果显示该器件性能优异，可用于多种电路。推荐阅读，一同探索其创新之处！

　　

在科技飞速发展的今天，电子设备的性能提升与功能拓展成为了科研人员们竞相追逐的目标。传统的硅基集成电路，就像是一位步入暮年的运动员，尺寸缩小的潜力已经快要挖掘殆尽，逐渐触及到了物理极限。随着信息和数据处理需求的 “胃口” 越来越大，科学家们迫切需要寻找新的突破点，来满足这个 “大胃王” 的需求1。

在这样的大背景下，可重构电子设备（能够根据需求改变自身功能或操作模式的电子设备）成为了众人眼中的 “希望之星”。它就像一个拥有 “七十二变” 本领的孙悟空，能用较少的组件实现多种功能，灵活性和效率都远超传统设备。想象一下，一台设备不再局限于单一功能，而是能随时变身，满足不同场景的需求，这是多么令人心动的事情！

不过，实现可重构性的道路并不平坦。就像唐僧取经要经历九九八十一难一样，这个过程充满了挑战。传统的实现可重构性的方法，往往需要给设备增加复杂的结构，就好比给孙悟空穿上了厚重的铠甲，虽然有了新的能力，却也失去了原本的轻盈灵活。比如说，常规的 pn 结（由 p 型半导体和 n 型半导体相互接触形成的区域，具有单向导电特性）只有两个终端电极，可一旦想要实现可重构性，常常得增加到三个或四个终端，这无疑大大增加了设备的复杂性。所以，如何在保证简单结构的同时实现可重构性，成了科研人员们亟待解决的难题。

为了攻克这个难题，复旦大学的研究人员们勇挑重担，展开了深入的研究。他们的研究成果发表在了《Device》期刊上，论文题目是《Reconfigurable logic circuits and rectifier based on two - terminal ionic homojunctions》。经过不懈努力，他们成功制备出了基于二维层状 CuInP?S?（CIPS）材料的两终端可重构同质结器件。这个器件就像是一个拥有神奇魔力的小精灵，有着超高的整流比、超低的漏电流和高击穿电压，还能在光伏、整流电路和逻辑电路等多个领域大显身手，为可重构电子设备的发展开辟了新的道路。

研究人员在开展这项研究时，用到了几个关键的技术方法。首先，他们通过机械剥离法，从块状晶体中获取了 CIPS 纳米薄片，就像是从一大块宝藏中精心挑选出了最珍贵的部分。然后，利用热蒸发技术和标准电子束光刻及剥离工艺，在纳米薄片上沉积了 Cr/Au 电极，为器件搭建好了 “骨架”。在表征器件性能方面，他们运用了多种显微镜和光谱技术，如扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）、开尔文探针力显微镜（KPFM）和拉曼光谱等，这些技术就像不同功能的 “探测器”，帮助他们全面了解器件的微观结构和电学性能。

下面让我们一起来看看这项研究都有哪些精彩的成果吧！

可重构 CIPS 同质结的结构与工作机制

CIPS 是一种具有离子导电性的范德华（vdW）层状材料，这得益于其分子结构中 Cu?和 (P?S?)??阴离子之间的弱键合。研究人员发现，控制 Cu 离子的迁移程度，就像掌握了魔法咒语一样，能够制造出各种不同功能的器件。

他们制作的两终端 CIPS 器件，是把典型厚度为 25nm 的 CIPS 纳米薄片，放置在带有 285nm 氧化层的硅衬底上，再用热蒸发技术沉积 Cr/Au 电极。从 SEM 图像和拉曼光谱可以看出，制备的 CIPS 器件质量非常高。当给器件加上固定偏压（±20V）时，电流会随着时间不断增加，这揭示了 CIPS 材料的离子导电行为。而且，只有当外加电场足够强，能帮助 Cu 离子跨越势垒时，离子导电性才会被激活。研究人员还发现，Cu 离子在电场作用下会发生迁移，在接地电极附近积累，并且这种迁移是可逆的，利用这一特性，他们在 CIPS 通道上成功形成了同质结。通过控制 Cu 离子的迁移方向，这个同质结就像一个拥有 “正反两面” 的小魔盒，能够实现 pn 型或 np 型的整流行为，而且在这两种状态之间的切换非常稳定，展现出了高度的可重构性23。

为了深入了解 CIPS 同质结的可调整流行为背后的机制，研究人员使用了 KPFM 来绘制器件的表面电位图。结果发现，Cu 离子的迁移会导致表面电位发生明显变化，进而影响金属 - 半导体的接触电阻，这就是器件能够实现可调整流的关键原因。他们还对整流曲线进行了变温测量，发现整流比会随着温度降低而减小，在 240K 以下甚至消失，这与 CIPS 材料中离子导电性的起始温度相符合。通过对电流 - 温度关系的分析，他们确定了电流符合热电子发射模型，计算出了势垒高度为 0.55eV，并据此推导出了正向和反向偏压条件下的能带图，清晰地解释了器件的导电机制45。

CIPS 同质结的性能

CIPS 同质结的整流性能十分出色。整流比可以通过施加偏压的持续时间和脉冲激励电压来调节，就像调节水龙头的水流大小一样。施加 20V 偏压 1000s 后，整流比最高能达到 4×10?。而且，无论是 pn 型还是 np 型整流行为，都能保持很好的稳定性，在不同的整流比下，导通状态（正向偏压 10V）和截止状态（反向偏压 5V）在 1000s 内几乎保持不变。在长达 12000s 的测试中，整流比能一直保持在 10?以上，甚至有望在整流比大于 103 的情况下保持 10 年之久。此外，该器件的读取稳定性也很好，经过 3000 次的开 / 关读取循环，电阻状态依然不变。由于 CIPS 材料具有绝缘性和宽禁带的特点，器件的漏电流极低（100fA），在施加反向偏压时，焦耳热效应可以忽略不计，这使得器件的击穿电压高达 170V。与其他基于二维材料的 pn 结相比，CIPS 同质结在整流比和漏电流方面都表现得相当优秀67。

在可重构整流器和逻辑电路中的应用

CIPS 同质结在多个领域都展现出了巨大的应用潜力。在自驱动光响应方面，由于同质结的极性可重构，在 405nm 光照下，光响应可以在正负之间切换，就像一个能根据指令改变 “性格” 的小机器人，这使得它有望成为多功能光电探测器。而且，通过调节偏压持续时间或脉冲数量，还能调制自驱动光电流，在光电神经计算设备中也能发挥重要作用。

在可重构整流器电路中，研究人员展示了 CIPS 同质结在高开关频率下的应用。通过改变同质结的极性，能够实现半波交流到直流的转换。在 100Hz 到 10kHz 的频率范围内，输出电压波形保持稳定，只是幅度会随着频率略有下降，其 3dB 截止频率超过 10kHz，这意味着它在高频信号处理方面有着良好的性能89。

CIPS 同质结还能作为可重构逻辑电路，而且不需要改变输入连接。传统的 OR 和 AND 逻辑电路需要多个二极管，而 CIPS 同质结凭借其可重构性，仅用两个二极管器件就能实现这两种逻辑功能的切换。研究人员通过实验验证了这一特性，当输入不同电压信号时，在不同工作模式下，输出电压信号符合 OR 和 AND 逻辑的预期，这一成果为逻辑电路的设计带来了新的思路1011。

在研究的最后，科研人员对整个研究进行了总结和展望。他们成功制备的基于 CIPS 材料的两终端可重构同质结，就像一颗闪耀的星星，在可重构电子设备的天空中熠熠生辉。这种同质结通过 Cu 离子的迁移来控制整流行为，具有超高的整流比、长的保留时间、出色的耐久性、高击穿电压和超低漏电流等优点，性能远超其他基于二维材料的 pn 结。而且，他们还成功展示了该同质结在可重构电子器件，如光伏、整流器和逻辑电路中的应用，为这些领域的发展注入了新的活力。

展望未来，研究人员认为，进一步优化可重构离子驱动同质结的结构设计和材料选择，就像为这颗星星打磨得更加璀璨，将有助于在光伏和整流电路等领域取得更显著的进展，提升器件的性能。同时，将器件尺寸缩小到纳米级，并开发高度集成的可重构电路，就像把这颗星星放入一个更加精密的 “仪器” 中，能够加速可重构电子设备的广泛应用，让这种先进的技术走进更多人的生活。

复旦大学的这项研究，为可重构电子设备的发展提供了新的方向和方法，就像在黑暗中点亮了一盏明灯，引领着科研人员们在这个充满挑战与机遇的领域继续探索前行，我们有理由相信，在未来，可重构电子设备将会给我们的生活带来更多意想不到的惊喜！