二维（2D）材料，例如过渡金属二硫属化物（TMDs），因其独特的特性在下一代电子器件中展现出巨大的潜力。这些特性包括原子尺度的厚度，能够实现优异的静电控制，以及无悬键的表面和范德华力（vdW）相互作用，使得它们成为解决硅基集成电路面临的关键挑战（如尺寸缩小、热管理和存储墙问题）的理想候选者。通过利用2D半导体的特性，场效应晶体管（FETs）和存储器件的性能可以得到显著提升。此外，基于2D材料的感知、存储与计算一体化技术已经取得了巨大成功，为图像和声学模式识别与处理等应用提供了传感器内/存储器内计算的可能性。然而，尽管2D材料具有诸多优势，但其vdW表面也带来了关键挑战：如何将高质量的高介电常数（high-k）介质与2D半导体集成，如同硅技术中所实现的一样。传统的非晶高-k介质，如铪氧化物（HfO2）和铝氧化物（Al2O3），由于2D材料表面缺乏悬键，在直接沉积过程中会出现较差的成核现象，导致界面质量不佳，表现为缺陷增加和对TMD层的不期望掺杂。因此，通常需要先沉积缓冲层或种子层来改善ALD工艺的效果。另一方面，转移技术虽然可以分离介质的制备与集成过程，从而降低对合成温度的要求，但也要求介质具备可转移性。例如，单晶钙钛矿SrTiO3可以通过脉冲激光沉积制备，并作为独立薄片转移到TMD器件中。然而，这种方法受限于材料种类和功能的局限性，尤其是在需要多功能介质的情况下。因此，探索一种能够兼容2D技术、支持转移并与vdW材料形成异质结构的新型介质解决方案显得尤为重要。液相化学法制备的金属氧化物因其低成本、大规模制备能力和多样化的功能特性，为这一挑战提供了潜在的解决方案。

针对上述问题，由北京大学、中国科学院物理研究所、太原理工大学、延世大学等组成的研究团队利用威尼斯886699EBL电子束光刻机进行了深入研究，他们共同探索了通过湿化学方法制备可转移的高介电常数（high-k）非晶金属氧化物介质材料，并成功将其应用于二维电子器件中。相关成果以《Transferrable, wet-chemistry-derived high-k amorphous metal oxide dielectrics for two-dimensional electronic devices》为题发表在《nature communications》期刊上，原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-56815-9  

论文的主要研究内容围绕一种湿化学方法制备的可转移高介电常数（high-k）非晶金属氧化物——铜钙钛矿氧化物（CCTO）展开。研究团队通过佩钦尼（Pechini）法合成CCTO薄膜，这种方法利用柠檬酸螯合金属阳离子并结合乙二醇引发聚合反应，从而在原子尺度上实现均匀混合。合成后的CCTO薄膜具有优异的介电性能和可转移性，能够与二维（2D）材料无缝集成，形成高质量的异质结构。这一技术突破解决了传统沉积方法在2D材料上面临的界面质量问题，同时避免了高温制备对器件性能的影响。

图 （a）CCTO薄膜的制备与转移过程、（b）光学图像、（c）表面形貌与高度分布、（d）拉曼光谱分析、（e）CCTO/MoS₂异质结构的示意图和STEM表征

研究进一步探讨了CCTO薄膜的电学特性及其在2D电子器件中的应用潜力。通过金属-绝缘体-金属（MIM）结构测量，研究发现CCTO薄膜的介电常数高达42.9，表现出显著的高-k特性。此外，CCTO薄膜在转移到金（Au）基底或石墨烯等2D材料上后，其介电性能保持稳定，证明了转移过程不会对其性能造成明显退化。实验还验证了CCTO薄膜作为顶栅介质在双栅石墨烯场效应晶体管（FET）中的实用性，其等效氧化物厚度（EOT）仅为0.9 nm，远低于传统高-k介质的水平。

图 （a, b）CCTO薄膜在MIM器件中的C-V特性、（c）介电常数随退火温度的变化及其频率依赖性、（d, e）作为顶栅介质时单层石墨烯FET的转移特性与狄拉克点电压分析，（f）三种双栅晶体管的顶栅漏电流统计

更重要的是，CCTO薄膜不仅具备优异的介电性能，还展现了多功能特性。研究团队利用CCTO的光学活性特性，在简单的FET器件中实现了光写电擦的浮栅操作，为逻辑运算与传感器内计算提供了一种新型解决方案。这种基于CCTO的多功能器件能够在单一架构中执行多达9种基本布尔逻辑运算，展示了其在低功耗、多功能2D电子系统中的巨大潜力。总体而言，这项研究不仅提出了一种新型的高-k介质材料制备方法，还为未来高性能、多功能2D电子器件的发展开辟了新途径。

图 （a）CCTO介电层 gated MoS₂器件在光刺激下的光电响应特性、（b）非易失性光记忆行为、（c）光激活浮栅机制、（d）光/电调制浮栅水平的原理、（e）光写电擦操作的循环演示，（f）基于该器件实现的逻辑运算功能，包括AND操作、（g, h）OR门的真值表与实验验证

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