《Cell Reports Physical Science》：Molybdenum-sulfide-based optoelectronic device for multivalued logic
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本文聚焦多值逻辑（MVL）技术，通过氧掺杂调控 MoS2/TiOX异质结能带结构，实现负微分电阻（NDR）效应。利用该效应及结构光敏特性，在单器件上达成二元 / 三元 / 四元逻辑处理，为 MVL 技术发展提供新思路。
### 研究背景
传统基于冯?诺依曼架构的计算设备遵循摩尔定律，即集成电路上可容纳的组件数量每 18 - 24 个月翻一番，性能也随之提升。但随着人工智能、机器学习和物联网等技术发展，对设备集成密度要求越来越高，摩尔定律逐渐逼近物理极限。此时，多值逻辑（MVL）技术成为突破传统计算架构的潜在方向。
与二进制逻辑系统相比，MVL 可提高信息密度，降低系统复杂度和设备数量。例如，将二进制逻辑系统的逻辑值增加到 3、4、5 和 10 时，系统复杂度分别可降至原水平的 63%、50%、43% 和 30%。其中，三元逻辑系统因在复杂度和性能间达到较好平衡，被视为理想选择，典型应用如三元逆变器。此外，四元逻辑因 4 可表示为 2 的幂次，更易集成到传统二进制计算系统中。
尽管 MVL 概念提出已久，但相关材料和设备研究仍处于早期阶段。负微分电阻（NDR）和负跨导（NTC）被认为在实现 MVL 操作方面具有潜力，已有基于 BP/ReS2二维范德华（vdW）异质结等多种结构的 NDR 器件用于 MVL 应用的报道。不过，此前多数基于 NDR 效应的 MLV 门只能实现三元逻辑状态。
实验设计
本文通过在 MoS2和 Ti 薄膜中掺杂氧，设计特殊能带对齐，制备了基于 ITO/MoS2-XOX/Ti/p-Si 结构的器件，以实现 NDR 特性。利用 MoS2的光敏性，在激光刺激下放大器件电流传导，获得更多逻辑状态。通过光和电的协同控制，使器件能在不同计算场景下，在二元、三元和四元逻辑状态间切换。
实验方法
- 器件制备：采用直流磁控溅射在 p 型 Si 衬底上生长 Ti 薄膜，射频磁控溅射沉积 MoS2-XOX薄膜和 ITO 薄膜。ITO 薄膜在氩气氛围中溅射，MoS2-XOX薄膜和 Ti 薄膜在氩氧混合氛围中溅射，溅射 ITO 薄膜作为顶部电极时使用掩模板进行图案化。
- 薄膜表征：运用场发射扫描电子显微镜（FESEM；ZEISS GeminiSEM 300）和 X 射线光电子能谱（XPS；Thermo Scientific K-Alpha+）研究器件的形貌和微观结构。将器件在液氮环境中脆断后，用 FESEM 的二次电子模式观察横截面形貌。XPS 测试在压力小于 2×10-7 mbar 的环境下进行。
- 性能测量：使用 Keithley 4200-SCS 参数分析仪、TTPX 探针台和 WaveRunner 606Zi 示波器进行电学测量。在 Keithley 4200-SCS 参数分析仪的电压扫描模式下进行 IV 测试，电压步长设为 0.05 V。测试光学响应时间时，将器件与纯电阻串联，在电路中施加恒定 10 V 电压，通过 ITO 电极向器件施加宽度为 800 μs 的激光脉冲，利用示波器读取纯电阻上的分压变化来推断电流变化。
实验结果
- 薄膜表征与器件性能：制备的器件结构为 ITO/MoS2-XOX/Ti/p-Si，顶部电极 ITO 可增强光透射率。XPS 分析表明，氧掺杂使 MoS2的 Mo3d和 S2s核心能级峰向低结合能方向移动约 0.9 - 1 eV，实现 p 型掺杂；Ti 薄膜的 XPS 显示存在 TiO2成分。
测试器件的电学和光学性能发现，在 - 10 V 至 10 V 的双扫描电压下，器件在黑暗环境和 405 nm 激光（功率密度 2 mW/cm2）刺激下的 IV 曲线有明显特征。黑暗环境中，电压在 - 10 V 至 - 0.5 V 时电流较低，-0.5 V 至 0.5 V 时电流增加，0.5 V 至 2.1 V 出现 NDR 效应，2.1 V 后电流增加并趋于饱和；反向电压扫描时，10 V 至 0.4 V 电流较低，小于 0.4 V 时电流上升。激光刺激下，NDR 效应几乎消失，正向电压增至 10 V 时电流增强超 2000 倍。在 0.5 V 电压下，器件呈现四种不同电流状态，且光学响应遵循幂律，ON/OFF 比与激光功率密度的 0.744 次方成正比。
对比未氧掺杂的 MoS2器件，氧掺杂后器件的 NDR 特性显著，峰谷比（PVR）达 18.5，而未掺杂器件无 NDR 特性；氧掺杂器件在激光刺激下的 ON/OFF 比从 100 倍提升至超 2000 倍。此外，器件的稳定性和保留特性良好，在 40 个循环中，四种电阻状态差异明显，且在 4 小时以上的测试中电阻状态能较好保持。
2. NDR 机制与三元逻辑：MoS2-XOX和 TiOX形成的 III 型异质结，其最高价带边缘的 MoS2-XOX高于 TiOX的最低导带边缘，形成破缺带隙对齐。由于两者功函数差异大，在界面处分别积累空穴和电子，形成重掺杂的 n+/p+异质结。
施加偏压可调节异质结的能带结构，诱导隧穿电流（Itun）和扩散电流（Idif）。当施加电压小于 - 0.5 V 时，电子从 MoS2-XOX的价带隧穿到 TiOX的导带；电压在 - 0.5 V 至 0.5 V 时，电子从 TiOX的导带隧穿到 MoS2-XOX的价带，隧穿强度随电压增加，Itun增大；电压在 0.5 V 至 2.1 V 时，TiOX的费米能级进入 MoS2-XOX的带隙，Itun减小，出现 NDR 效应；电压大于 2.1 V 时，异质结间的势垒变窄，电子从 TiOX的导带扩散到 MoS2-XOX的导带，Idif开始主导电流。
通过理论计算，得到 Itun和 Idif的表达式，并与实验结果对比，发现两者在不同电压区间的主导情况与器件 IV 特性相符。基于 NDR 效应，将 NDR 器件与 p 沟道 FET 集成可实现三元逆变器。通过理论分析，改变 p 沟道 FET 的栅极电压 VG（即输入信号 VIN），可使 FET 的负载线斜率改变，进而使 NDR 器件的工作电压区域发生非线性移动，实现三元逻辑转换。
3. 光学响应机制与二元逻辑：MoS2和 TiO2均为光敏材料，器件结构中两者的存在使激光能激发大量光生载流子。以 Ag 为底部电极的对比实验表明，无 Ti 作为底部电极时光生载流子浓度降低，ON/OFF 比显著下降且无 NDR 效应，证实了特定能带对齐下 NDR 机制分析的可靠性。
在激光刺激下，光生载流子占据 MoS2-XOX的价带，提高了 TiOX的费米能级，使 Itun在低电压下变弱，器件由 Idif主导，NDR 效应几乎消失，电流大幅增强。随着激光功率密度增加，NDR 特性逐渐减弱直至消失。
利用激光刺激对器件进行逻辑编码，器件在光照和黑暗条件下的低电阻态和高电阻态可分别代表逻辑 1 和 0。测试发现，器件的光学响应时间约为 41.6 μs，远快于视觉神经信号的响应速度（约 ms）。基于此，实现了基于该器件的莫尔斯电码传输，成功传输数字 “7,952”，传输时间约 50 ms，远快于此前报道的单字符传输时间（约 20 s），展示了其在基于二进制逻辑的人机界面应用中的潜力。
4. 电光控制的四元逻辑：基于 ITO/MoS2-XOX/Ti/p-Si 结构的器件在电光控制下呈现四种不同电阻状态。采用 2 位二进制数描述四元逻辑，即 “00”“01”“10” 和 “11”。其中，芯片从右到左的第一位由激光调节，有激光刺激时逻辑值为 1，无激光刺激时为 0；第二位由电调节，正电压时逻辑值为 0，负电压时为 1。
实验验证了该设计方案下四元逻辑与器件电导率的线性关系，随着逻辑状态数值从 00 到 11 逐步增加，器件电阻逐渐减小，电导率逐渐增加。通过激光和电压对器件的四种电阻状态进行连续转换测试，结果显示器件能在激光和电的调节下在四种不同电阻状态间切换，且状态区分明显，与四种逻辑状态对应良好，证明了基于该器件实现四元逻辑处理的可行性。
研究结论
本文通过在 ITO/MoS2-XOX/Ti/p-Si 结构中同时实现 NDR 特性和光敏性，利用其独特光电性质获得四种稳定电阻状态。该结构形成的异质结 NDR 效应的 PVR 高达 18.5，在三元逻辑处理中具有应用潜力；405 nm 激光调节下，器件在高电压下实现超 2000 倍光学增强，响应时间小于 41.6 μs，可用于二进制逻辑处理，如无线光通信；此外，还提出了电光控制的四元逻辑处理方法。综合来看，该研究开发的光电 MVL 器件能在不同调制方式下呈现二元、三元和四元逻辑，为 MVL 技术的发展提供了可靠的研究方向。
