类型a：原创性研究学术报告

1. 研究作者与机构
本研究由Liangmei Wu、Aiwei Wang、Jinan Shi、Jiahao Yan等共同第一作者完成，通讯作者为Lihong Bao（中国科学院物理研究所）、Mou Yang（美国马里兰大学）和Hong-Jun Gao（中国科学院物理研究所）。合作单位包括中国科学院物理研究所、中国科学院大学、美国马里兰大学、新加坡国立大学、范德堡大学等。研究成果于2021年8月发表在Nature Nanotechnology（《自然-纳米技术》）上，标题为“Atomically sharp interface enabled ultrahigh-speed non-volatile memory devices”（《原子级锐利界面实现的超高速非易失性存储器》）。

2. 学术背景
本研究属于纳米电子学与二维材料领域，聚焦非易失性存储器（non-volatile memory, NVM）的性能瓶颈问题。传统硅基存储器面临尺寸微缩极限和界面悬挂键（dangling bonds）导致的性能退化问题，而二维材料（2D materials）因其原子级平整界面和无悬挂键特性，被视为理想解决方案。然而，此前基于二维材料的浮栅存储器（floating-gate memory）存在写入速度慢（毫秒级）或保留时间短（秒级）的缺陷，无法满足实际应用需求。本研究的目标是通过设计原子级锐利界面的二维范德华异质结（van der Waals heterostructures），实现纳秒级操作速度、高消光比（extinction ratio）和长保留时间的非易失性存储器。

3. 研究流程与方法
研究分为四个关键步骤：

（1）器件设计与制备
- 材料选择：采用硒化铟（InSe）作为沟道材料，六方氮化硼（hBN）作为隧穿势垒，多层石墨烯（MLG）作为浮栅，SiO₂/p⁺⁺Si作为控制栅极。
- 异质结组装：通过机械剥离和干法转移技术（dry-transfer）在惰性气氛中堆叠InSe/hBN/MLG异质结，避免界面污染。
- 电极加工：通过电子束光刻和热蒸发工艺制备源极/漏极电极（Cr/Au）。

（2）界面表征
- 扫描透射电子显微镜（STEM）：利用像差校正的高角度环形暗场成像（HAADF-STEM）验证异质结界面的原子级锐利性和均匀性（图1c-e），未观测到缺陷或污染。

（3）电学性能测试
- 转移特性曲线：在浮栅模式下，双扫栅压（Vcg）显示高达64 V的记忆窗口（memory window），对应MLG浮栅电荷密度达4.6×10¹² cm⁻²（图2a-b）。
- 编程/擦除操作：采用±17.7 V、脉宽160 ns的电压脉冲实现高低导态切换，消光比达10¹⁰（图3b）。
- 超高速操作：通过21 ns脉宽（FWHM）的±20 V脉冲实现纳秒级响应（编程36 ns，擦除43 ns），并验证5 MHz高频操作（图4a-d）。

（4）多比特存储演示
- 通过脉冲序列调控浮栅电荷量，实现可区分的多态存储（如两比特“00”“01”“10”“11”），单次擦除仅需21 ns负脉冲（图4e）。

4. 主要结果与逻辑关联
- 界面质量验证：STEM证实原子级锐利界面是超高速操作的基础（图1c-e），排除了传统硅基器件的界面散射问题。
- 电学性能突破：纳秒级操作速度接近理论极限（补充材料图2），归因于InSe的低功函数和hBN势垒的Fowler-Nordheim隧穿机制（补充材料图12）。
- 多比特存储可行性：高消光比（10¹⁰）支持多电平区分，为高密度存储提供新方案（图4e）。

5. 研究结论与价值
- 科学价值：揭示了原子级界面质量对存储器性能的决定性作用，为二维材料器件设计提供普适性准则。
- 应用价值：器件架构兼容现有半导体工艺，性能超越商用闪存（速度提升5000倍），并具备与DRAM（动态随机存取存储器）相当的响应速度，有望推动下一代存储技术发展。

6. 研究亮点
- 性能突破：首次实现纳秒级非易失性存储，兼具10年保留时间和10¹⁰消光比。
- 创新方法：无需改造传统浮栅架构，仅通过优化二维异质结界面实现性能跃升。
- 多领域应用潜力：为高密度存储、柔性电子和类脑计算提供新思路。

7. 其他重要内容
- 研究通过控制实验排除了金属电极直接隧穿的干扰（补充材料图10-11），并验证了MoS₂沟道器件的普适性（补充材料图13）。
- 论文发表后，同类成果在arXiv预印本平台被报道（Liu et al., 2020），进一步佐证了该技术的可行性。