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该研究由Chang Jun Lee、Myung Uk Park、Sung Hyun Kim、Jae-Hun Jeong、Myeongjin Kim、Mann-Ho Cho和Kyung-Hwa Yoo共同完成，他们均来自韩国延世大学物理系。该研究于2021年发表在期刊《Advanced Materials Interfaces》上。
该研究属于二维材料与异质结构领域，旨在开发基于部分对齐的MoS2/h-BN/石墨烯异质结构的三值逻辑器件。随着互补金属氧化物半导体（CMOS）技术的持续微缩，器件尺寸的进一步缩小面临诸多挑战，如栅极漏电流、不可靠性、功率密度限制、电路复杂性增加和高处理成本等。多值逻辑（MVL）电路被认为是克服这些问题的有前途的方法之一。MVL电路通过单个逻辑门实现多个逻辑状态，从而减少互连复杂性和芯片面积，并降低功耗和电路延迟时间。近年来，基于碳纳米管、石墨烯和二维材料的三值器件得到了广泛研究。这些三值器件根据其工作机制分为两类：一类基于负微分电阻（NDR），另一类基于多阈值电压（Vth）。尽管MVL领域进展迅速，但由于器件一致性的限制和中间状态调节的困难，鲜有关于由三值器件或MVL器件组成的集成电路的报道。
该研究的主要流程包括以下几个步骤：
器件制备：研究人员通过机械剥离和转移技术制备了两种MoS2/h-BN/石墨烯异质结构。在第一种异质结构中，MoS2通道与下方的石墨烯完全对齐（器件I）；在第二种异质结构中，MoS2通道与石墨烯部分对齐（器件II）。器件II可以看作是由一个闪存器件和一个场效应晶体管（FET）并联组成的电路。
电学特性测量：研究人员通过扫描栅极电压（Vg）测量了源-漏电流（Isd）与栅极电压（Vg）的转移曲线。器件I表现出具有二值状态的大滞后现象，而器件II则表现出具有三值状态（“0”、“1”和“2”）的滞后现象。器件II的转移曲线显示了两个不同的阈值电压（Vth1和Vth2），并可以通过氧等离子体处理来调节中间状态。
氧等离子体处理：为了调节中间状态，研究人员对器件II进行了氧等离子体处理。通过控制处理时间，可以增加FET部分的电阻，从而调节中间状态的电阻值。X射线光电子能谱（XPS）分析表明，氧等离子体处理导致MoS2中MoO3缺陷的形成，从而增加了电阻。
三值逆变器实现：研究人员利用器件II和负载电阻（RL）实现了电阻负载标准三值逆变器。在电源电压（Vdd）为1V时，输出电压（Vout）接近1V、0.5V和0V，分别对应于“2”、“1”和“0”状态。此外，通过将两个三值逆变器串联和并联，分别实现了三值Nmin和Nmax电路。
器件II的三值状态：器件II在Vg从+60V扫描到-60V时，表现出两个不同的阈值电压（Vth1和Vth2）和三个电流水平。当Vg < Vth1时，器件处于“0”状态；当Vg > Vth2时，器件处于“2”状态；当Vth1 < Vg < Vth2时，器件处于“1”状态。这种三值状态可以通过氧等离子体处理进行调节。
氧等离子体处理的效果：氧等离子体处理显著增加了FET部分的电阻，而对闪存部分的电阻影响较小。通过控制处理时间，可以精确调节中间状态的电阻值，从而实现理想的三值状态。
三值逆变器的性能：基于器件II的电阻负载三值逆变器在Vdd为1V时，表现出稳定的三值状态，输出电压分别为1V、0.5V和0V。此外，三值Nmin和Nmax电路也成功实现，展示了该器件在三值逻辑电路中的应用潜力。
该研究开发了基于部分对齐的MoS2/h-BN/石墨烯异质结构的三值器件，该器件可以看作是由一个闪存器件和一个FET并联组成的电路。通过氧等离子体处理，可以精确调节中间状态的电阻值，从而实现理想的三值状态。基于该器件的电阻负载三值逆变器表现出稳定的三值状态，输出电压分别为1V、0.5V和0V。此外，三值Nmin和Nmax电路的成功实现展示了该器件在三值逻辑电路中的应用潜力。该研究为三值逻辑器件的大规模集成提供了新的可能性。
该研究还通过静电显微镜（EFM）图像清晰地分辨了器件II的闪存和晶体管组件，进一步验证了其工作原理。此外，研究人员还探讨了器件在不同条件下的稳定性，证明了该器件在长期存储后仍能保持稳定的三值状态。