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本研究的主要作者包括Bablu Mukherjee、Ryoma Hayakawa、Kenji Watanabe、Takashi Taniguchi、Shu Nakaharai和Yutaka Wakayama。他们分别来自日本国家材料科学研究所（NIMS）的国际材料纳米结构研究中心（MANA）和功能材料研究中心。该研究于2020年11月30日发表在《Advanced Electronic Materials》期刊上，DOI为10.1002/aelm.202000925。
本研究的主要科学领域是二维（2D）材料及其异质结构在电子器件中的应用。随着半导体技术的不断发展，传统的硅基器件在集成密度、功耗和性能方面面临瓶颈。二维材料，如石墨烯（graphene）、六方氮化硼（h-BN）和二硫化铼（ReS₂），因其原子级平整的界面和独特的电子传输特性，成为下一代电子器件的潜在候选材料。特别是，基于范德华（van der Waals, vdW）异质结构的金属-绝缘体-半导体（Metal-Insulator-Semiconductor, MIS）型器件，因其在逻辑门、场效应晶体管（FET）和存储器等领域的多功能应用前景，受到了广泛关注。
本研究的目的是利用ReS₂/h-BN/graphene异质结构，开发多功能电子器件，包括隧道二极管、低偏压场效应晶体管、逻辑门和存储器。通过量子隧穿效应，研究团队希望实现温度无关的高性能器件，并探索其在未来数字电子和量子信息处理中的应用。
本研究分为以下几个主要步骤：
异质结构制备：研究团队采用干法转移技术，将ReS₂、h-BN和graphene逐层堆叠在SiO₂/Si基底上。具体步骤包括：首先对SiO₂基底进行氧等离子体处理以去除污染物并引入硅醇基团；然后通过机械剥离法将graphene转移到基底上；接着依次转移h-BN和ReS₂层。最后，使用电子束光刻技术（EBL）在异质结构上图案化电极，并通过电子束溅射沉积Cr/Au电极。
器件性能表征：研究团队对制备的MIS型隧道二极管进行了详细的电学性能表征，包括电流-电压（I-V）特性、温度依赖性和光激发响应。通过两探针和三探针测量配置，测试了器件在不同偏压和光照条件下的性能。此外，还使用原子力显微镜（AFM）和拉曼光谱对异质结构的晶体质量和厚度进行了表征。
逻辑门操作验证：研究团队将多个MIS型隧道二极管并联，构建了“或”逻辑门电路。通过输入不同的电压组合，验证了逻辑门的操作性能。结果表明，该电路能够实现稳定的逻辑运算，且具有低开启电压和高整流比。
低偏压FET和存储器操作：研究团队进一步探索了ReS₂/h-BN/graphene异质结构在低偏压场效应晶体管和非易失性存储器（NVM）中的应用。通过调节h-BN层的厚度，实现了低阈值电压的FET操作和具有大存储窗口的存储器操作。
MIS型隧道二极管性能：研究团队成功制备了ReS₂/h-BN/graphene MIS型隧道二极管，并观察到其具有高整流比和低开启电压的特性。通过Fowler-Nordheim（FN）隧穿模型拟合，提取了graphene与h-BN之间的电子肖特基势垒高度为1.2 eV。此外，器件的I-V特性在宽温度范围内表现出温度无关性，表明其具有优异的稳定性。
逻辑门操作：通过将多个MIS型隧道二极管并联，研究团队实现了“或”逻辑门操作。实验结果表明，该逻辑门能够在低电压下稳定工作，且具有高整流比和低开启电压。这一结果为未来多功能电子器件的集成提供了重要参考。
低偏压FET和存储器操作：研究团队展示了ReS₂/h-BN/graphene异质结构在低偏压FET和非易失性存储器中的应用。通过调节h-BN层的厚度，实现了低阈值电压的FET操作和具有大存储窗口的存储器操作。此外，研究团队还验证了存储器器件在长时间范围内的数据保持性能。
本研究通过ReS₂/h-BN/graphene异质结构，成功开发了多功能电子器件，包括隧道二极管、低偏压场效应晶体管、逻辑门和存储器。这些器件具有高整流比、低开启电压和温度无关性等优异特性，为未来数字电子和量子信息处理提供了重要的技术基础。此外，研究团队通过调节h-BN层的厚度，实现了不同功能器件的优化，展示了二维材料异质结构在多功能电子器件中的巨大潜力。
研究团队还探讨了光激发对器件性能的调制作用，展示了其在光电电子学中的应用前景。此外，研究团队提出的干法转移技术和异质结构优化方法，为未来二维材料器件的制备提供了重要参考。