近日，新材料界面科学与工程教育部重点实验室新能源材料设计与表征组郭俊杰教授团队与北京大学材料学院刘磊教授团队合作通过湿化学法制备出一种高k（介电常数为42.9）的非晶态铜钙钛酸盐（CCTO）薄膜，并将其成功应用于二维电子器件中，显著提升了器件的电学性能，并且展示了一种新型存算一体原型器件。相关成果发表于《Nature Communications》期刊，题目为“Transferrable, wet-chemistry-derived high-k amorphous metal oxide dielectrics for two-dimensional electronic devices”。该论文的第一署名单位为太原理工大学，我校博士研究生药志鑫和北京大学博士后田慧丰为论文共同第一作者，郭俊杰教授和北京大学刘磊教授为论文共同通讯作者。

图1. 论文页面截图

二维材料（如过渡金属二硫化物，TMDs）因其独特的物理性质，在下一代电子器件领域展现出巨大潜力。然而，将高介电常数（k）介质集成到二维半导体上，同时保持低缺陷密度的界面，一直是制约二维器件实际应用的关键瓶颈。传统的气相沉积方法（如原子层沉积，ALD）在二维材料表面难以形成高质量的高k介质，因为二维材料表面缺乏悬挂键，导致成核困难。因此，开发一种能够与二维材料兼容且具有良好界面质量的高k介质制备方法，对于推动二维电子器件的发展至关重要。

图2. CCTO薄膜的制备和转移

研究团队采用湿化学法中的Pechini方法制备CCTO薄膜。该方法通过将金属离子与柠檬酸配位形成螯合物，再通过乙二醇引发聚合，形成交联网络。经过低温烘焙去除溶剂和有机成分后，得到均匀的非晶态CCTO薄膜。通过调节前驱体浓度和旋涂速度，可以精确控制薄膜厚度。此外，该薄膜具有可转移性，能够从生长基底上完整剥离，并转移到目标基底上，与二维材料形成异质结构。

制备得到的CCTO薄膜具有高达42.9 nm的介电常数，同时等效氧化层厚度可以减小到0.9 nm，符合IRDS对栅极电介质的要求。使用转移CCTO薄膜作为栅介质的二维器件展现出优异的电学性能。CCTO/MoS₂器件的亚阈值摆幅（SS）低至67 mV/dec，接近热离子极限（60 mV/dec），且具有极小的迟滞（约1 mV/(MV cm⁻¹)）。此外，CCTO薄膜在可见光下具有光活性，能够在简单的场效应晶体管结构中实现光写入和电擦除的浮栅操作，从而实现可重构的逻辑运算功能。

图3. 高性能MoS₂场效应器件和存算一体器件

该研究首次将湿化学法制备的高k非晶态金属氧化物介质应用于二维电子器件中，不仅解决了传统方法在二维材料上难以形成高质量高k介质的问题，还通过非晶薄膜的光学特性实现了逻辑运算与数据存储功能的集成。这种基于CCTO薄膜的二维器件展现出低功耗、高性能和多功能集成的特点，为未来二维电子系统的发展提供了新的思路和方法。该成果有望推动二维材料在高性能计算、传感器和逻辑电路等领域的广泛应用。

本工作得到了北京市杰出青年科学基金、国家重点研发计划、国家自然科学基金和中国博士后科学基金等项目支持。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-56815-9