二維（2D）材料對于下一代電子學具有變革性的潛力。將高介電常數（k）電介質集成到2D半導體上，同時通過低缺陷密度的界面保持其原始屬性，被證明是具有挑戰性的，并成為其實際應用的一個性能瓶頸。

2025年2月10日，太原理工大學郭俊杰、北京大學劉磊在國際知名期刊Nature Communications發表題為《Transferrable, wet-chemistry-derived high-k?amorphous metal oxide dielectrics for two-dimensional electronic devices》的研究論文，2020級博士生藥志鑫、田慧豐為論文共同第一作者，郭俊杰、劉磊為論文共同通訊作者。

郭俊杰，太原理工大學教授、課題組長。1980年出生，2003年、2007年獲太原理工大學學士和碩士學位（導師：許并社），2010年在日本東北大學獲得博士學位（導師：陳明偉）。2011-2014年在橡樹嶺國家實驗室從事博士后研究（導師：Stephen J. Pennycook），2014年加入太原理工大學，2015年晉升為教授。

郭俊杰教授主要研究新型二維材料的結構調控、原子結構解析及其在能源催化領域的應用，共發表論文150余篇，包括Nature Commun.、Adv. Sci.、Appl. Catal. B: Environ.、Nano Energy、Small、Acta Mater.、Chem. Eng. J.、Carbon、J. Mater. Chem. A。授權中國發明專利10余項。

劉磊，北京大學長聘副教授。2006年本科畢業于武漢大學，2012年獲中國科學院物理研究所博士學位，2012-2017年先后在美國田納西大學諾克斯維爾分校、美國西北大學從事博士后研究，2017年以特聘研究員、博士生導師加入北京大學，2024年晉升為長聘副教授。

劉磊副教授的研究興趣為低維輕元素量子材料的可控制備和性質研究，目前關注的體系包括（不限于）：1）二維體系中的同位素效應；2）新型二維輕元素量子材料；3）輕元素無序材料。已發表科研論文超過50篇，其中包括Nature、Science、Nature子刊、PNAS、PRL、JACS、Adv. Mater.、ACS Nano、Nano Lett.等。

在本文中，作者報道了一種基于濕化學的方法來制備非晶態、可轉移的高k（42.9）銅鈣鈦酸鹽（CCTO）薄膜，以其作為2D電子設備的高質量雙功能電介質。

基于螯合作用的Pechini方法保證了這種鈣鈦礦型復合氧化物的均勻性，而可轉移的特性允許其無害地集成到與納米間隙接口的2D半導體中。CCTO柵控MoS₂器件展現出降至67 mV dec^-1的亞閾值擺幅和約1 mV/(MV cm^-1)的超小滯回。

此外，利用其在可見光下的活性特性，作者在CCTO中實現了電操縱、光激活的非易失浮柵，使得在單個場效應器件架構內重新配置執行9個基本布爾邏輯傳感器操作成為可能。

這一進步為通過結合多功能的傳統復合氧化物來開發多功能、低功耗的2D電子系統鋪平了道路。

圖1：Pechini法衍生的CCTO薄膜的制備與轉移

圖2：Pechini法衍生的CCTO薄膜的介電性能

圖3：CCTO柵控MoS₂器件的器件性能

圖4：非易失性光電存儲和邏輯運算

綜上，本研究通過濕化學法成功制備了可轉移的高介電常數（高k）非晶態金屬氧化物銅鈣鈦酸鹽（CCTO）薄膜，并將其應用于2D電子器件中，作為高質量的雙功能介質。

研究發現，CCTO薄膜具有高介電常數（42.9）和良好的光學活性，能夠顯著提升2D半導體器件的性能。CCTO/過渡金屬二硫化物（TMDs）器件展現出極低的亞閾值擺幅（67 mV/dec）和超小的滯回現象（約1 mV/(MV cm^-1)）。

此外，利用CCTO的光學特性，實現了在單個場效應晶體管架構中進行光激活的非易失性浮柵操作，能夠執行9種基本的布爾邏輯運算。該研究為2D電子器件的發展提供了新的高性能介質材料，推動了多功能、低功耗2D電子系統的開發。

這種基于CCTO薄膜的2D電子器件在高性能計算、低功耗邏輯電路、光電器件以及傳感器等領域具有廣闊的應用前景。其獨特的光學和電學特性使其在光激活存儲和邏輯運算方面展現出巨大潛力，有望為下一代電子技術的發展提供重要支持。

Yao, Z., Tian, H., Sasaki, U.?et al.?Transferrable, wet-chemistry-derived high-k?amorphous metal oxide dielectrics for two-dimensional electronic devices.?Nat. Commun., (2025).