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Science编辑Yury Suleymanov评语：
固体中移动电荷的局域化对于理解多种关联电子输运现象至关重要。然而现有方法依赖于弱相互作用势，使其仅适用于低温环境。Gao等人开发出采用混合双层晶体结构的离子门控双层晶体管，该结构由二硫化钼单层与分子晶体单层堆叠构成。这种构型使得正负电荷在相邻空间内形成耦合的电子-离子偶极子，实现了在室温和高电荷密度条件下仍能稳定工作的电荷局域化。该研究为利用关联电子输运现象开辟了新途径，对凝聚态物理、材料科学、物理化学及现代电子技术领域兼具基础研究价值与实用意义。
自场效应晶体管概念提出以来，研究人员始终致力于通过材料特性调控实现可调制的电荷迁移率与局域化。近年来莫尔晶格工程的发展为创建周期性势场提供了新途径，该技术能轻易地将电荷局域在具有可调填充因子的莫尔元胞内，从而产生关联绝缘态和非平凡能带拓扑。然而相对较弱的层间势会产生热力学上不稳定的量子态，这些态对难以避免的莫尔无序和热涨落极为敏感。如何将这些成果转化为室温下的电荷局域化实现，仍是当前尚未攻克的技术难题。通过调控固体中移动电荷的局域化状态，我们能够发现关联物理现象，但要将此应用于下一代电子器件开发，则需在实际工况下实现这种调控。
本研究报道了在高质量双层晶体管中实现的室温可切换电荷局域化，该器件由分子晶体单层与半导体单层堆叠构成。借助离子栅极调控，本文可选择性填充局域化分子态或半导体能带态，在载流子密度高达3×10¹³/cm²时仍能实现从移动电荷到完全局域化的转变。该转变通过形成耦合电子-离子偶极子获得能量稳定，且可通过库仑工程进行调控。这些特性进一步实现了无掺杂剂的单能带双极性晶体管操作，展现出电子-离子关联效应在实际电子应用中的潜力。
图1| 离子耦合双层晶体管及其电荷局域化的原位调控与测量
要点：
1.有研究提出，通过采用势垒分隔的双层结构可提升维格纳晶化等局域化现象的能量尺度。由于层间附加的库仑相互作用，向局域态转变的临界点可移至更高电子密度。从经典电磁学角度，可通过比较两种静电机制来理解该现象：电容主导型与偶极主导型。在电容主导机制中，静电能量(U)由电容(C)决定，其随电荷密度(n)的变化遵循n²/C的关系，平行板电容器即为典型示例（图1A）。而当正负电荷发生强相互作用时，会形成束缚对，产生具有强屏蔽电场的局域化电中性偶极子（图1B）。在对应于可极化绝缘态的偶极主导机制中，U与n呈线性关系。要实现室温稳定的偶极主导机制，既需要稳定的局域态形成，又需要强电荷间相互作用。
2.本研究报道了离子门控双层晶体管中可切换的室温电荷局域化现象。晶体管导电通道基于四原子厚度的混合双层晶体（HBC），该结构由平面苝系分子晶体单层直接堆叠在过渡金属硫族化合物（TMD）单层上构成，同时具备局域化和离域化电子态（图1C、D）。采用离子液体对HBC进行门控，在分子表面附近引入可移动阳离子。该方法最小化了HBC中电子与门控介质中阳离子的间距，从而增强库仑相互作用，促使室温下形成强束缚离子对。
图2|离子门控下HBC的电荷密度定量分析与静电特性
要点：
1.图2A展示了通过电容与反射率测量相结合获得的混合双层晶体各层电荷密度随栅压Vg的变化关系（详见补充材料）。当Vg< Vc时，总电荷密度nT ≈ nMS，表明所有注入电子均占据MoS₂的导带，峰值密度约为10¹³ cm⁻²（记作n*）。当Vg > Vc时，HBC持续接收电荷注入，但出现从MoS₂到PDI的异常电荷转移。在最大Vg时，nMS降至10¹² cm⁻²以下，而nPDI达到3×10¹³ cm⁻²，相当于三分之一的PDI分子被充电。值得注意的是，图2A中nMS-Vg曲线与图1F中Isd-Vg曲线高度吻合，且nPDI-Vg曲线与PDI的光致漂白信号强相关。这些特征表明HBC的整体电导率由nMS决定，而非nT或nPDI，且从MoS₂层耗尽的移动电荷在III、IV阶段被局域在分子层中。霍尔测量进一步佐证了电荷密度定量结果，本文观察到系统进入nTC区域前后（II、III阶段）霍尔迁移率保持连贯。这种异常nTC主要源于移动电荷向局域态的转移，其机制与文献中通常用高载流子密度下迁移率降低解释电导率下降的现象有本质区别。
2.图2B展示了三个离子门控器件的总电容CT测量结果（CT = e∂nT/∂Vg，e为元电荷）。以金电极或单层MoS₂替代HBC制备的Au器件和MoS₂器件分别代表传统平板电容器和场效应晶体管。Au器件呈现与Vg无关的CT，反映双电层几何电容Cg；MoS₂器件在初始上升后因量子电容效应保持CT < Cg的恒定值。这两类器件均符合电容主导的静电模型。然而HBC器件在III阶段表现出显著增强的电容（CT > Cg），这一结果超出预期——由于Cg与MoS₂、PDI层的量子电容串联，总电容通常应小于几何电容。CT相对于Cg的增强表明HBC器件中电容模型失效。
3.为研究HBC的静电屏蔽特性，本文在图2C中绘制了参数κPDI = ∂nMS/∂nT随Vg的变化关系。器件中密度为nT的阳离子与HBC内注入电子形成双电层平衡，该双电层产生的电场（E）会被PDI层电荷屏蔽（图2A插图），产生穿透电场（Ep），本文通过κPDI量化该效应。κPDI也与PDI层的电子不可压缩性相关，正常取值范围为0-1：κPDI = 0（κPDI = 1）表示PDI层具有完全（最小）屏蔽及（不可）压缩特性。在低Vg时，κPDI趋近于1，表明中性PDI层屏蔽作用微弱；在高Vg时，κPDI急剧下降并转为负值（III阶段）。这种κPDI < 0的异常屏蔽行为被称为过屏蔽效应，表明当nT增加时，PDI层获得的电子超过完全屏蔽阳离子电场所需数量，超额电子通过直接电荷转移来自MoS₂层。负κPDI是局域电荷存在关联效应的强有力证据。本文的定量测量证实，基于平板电容的静电模型不适用于器件中的电荷局域化区域，因此需要建立新的静电描述理论。
图3| 电荷局域化的机理研究与库仑工程调控
要点：
1.图3展示了本文的理论模型，该模型将实验结果解释为从电容主导机制向偶极主导机制转变的直接体现（图3A、B）。尽管模型简化，但成功复现了关键实验现象，包括电荷转移和过屏蔽效应（κPDI < 0）。局域电荷的强屏蔽效应可通过离子对形成机制阐释（图3B），这是超越平均场理论的库仑关联现象。在此机制中，带电PDI分子会与阳离子结合形成离子对，其行为类似于电偶极子。这种结构导致局域电荷间的偶极-偶极排斥大幅减弱，从而消除了e²n²PDI项，并以减弱形式呈现e²nMSnPDI所表征的电荷-偶极排斥。该离子对模型在理论上还被提出可突破亥姆霍兹电容极限提升双电层电容，与本文的电容数据高度吻合。
2.图3D通过不同锂离子浓度下的循环伏安测试，为带电PDI与小尺寸阳离子（Li⁺）的离子对形成提供了证据。本实验采用的改性PDI分子（m-PDI，具有更高溶解性）与HBC中使用的PDI类似，存在两种带电态：m-PDI⁻和m-PDI²⁻，各自对应伏安曲线中的单电子转移峰。随着Li⁺浓度增加，m-PDI²⁻对应的峰位向m-PDI⁻峰位靠近。这种峰间距缩小表明双电荷m-PDI²⁻上的电子间排斥作用因Li⁺形成离子对而被显著削弱和屏蔽。
图4| 单能级双极性工作模式
要点：
1.可控的载流子局域化及其可逆过程实现了新型晶体管工作模式（图4）。传统场效应晶体管的载流子类型和工作模式由掺杂剂固定，而本文的离子耦合双层晶体管具有单能级双极性特性，其独特之处在于能在单一导带内同时实现电子积累（n型工作）与耗尽（“p型”工作）（图4A）。这与传统双极性晶体管同时涉及导带电子和价带空穴的机制有本质区别。在较低栅压下电荷处于离域态传导电流，而在较高栅压下偶极子形成导致电荷局域化，从而耗尽移动电荷。
2.图4C、D展示了典型HBC双层晶体管在不同栅压下的源漏电流-电压特性曲线。器件同时呈现n型与“p型”工作模式：在积累（耗尽）区域，电流随栅压增大而升高（降低），两种模式在较高|Vsd|下均呈现电流饱和特性且导通电流水平相近。由于仅涉及单一载流子类型，两种工作模式下的载流子迁移率和接触电阻预期保持一致。若将先进接触金属（如半金属）应用于本文的双层晶体管，有望在两种模式下实现超高电流密度，这仍是二维晶体管领域面临的重大挑战之一。
3.除室温电荷局域化特性外，本文的HBC材料还展现出晶圆级器件制备与集成所需的其他优异特性：首先，HBC能耐受批量微加工过程中的化学物理环境（包括光刻胶、显影剂、热循环及光照）（图4B）；其次，双层晶体管在双极性工作模式下即使承受超过10¹³ cm⁻²的高电荷密度仍保持高耐久性（图4E）；最后，得益于原子级厚度，器件充电速度超过10微秒，主要受RC延迟限制。通过进一步优化器件结构、接触电阻和寄生电容，工作速度有望突破吉赫兹范围——在此区间内双电层亚纳秒级本征重组时间可能成为主导因素。
本研究提出了一种通过设计合成混合晶体实现室温下关联电子现象调控的策略，其核心要素包括：（1）采用化学结构一致的二维分子晶体构筑高密度周期体系，为稳定且明确界定的局域态提供载体；（2）与二维半导体实现无缝集成，实现直接电子调控与原位探测；（3）利用离子栅在极短距离内提供高密度抗衡电荷，使相互作用能量尺度突破室温热涨落能垒。这些特性为开发具有关联量子电子效应的混合固体材料开辟了新途径，兼具基础研究价值与实际应用潜力。
来源：研之成理，爱科会易仅用于学术交流，若相关内容侵权，请联系删除。
Science编辑Yury Suleymanov评语：
固体中移动电荷的局域化对于理解多种关联电子输运现象至关重要。然而现有方法依赖于弱相互作用势，使其仅适用于低温环境。Gao等人开发出采用混合双层晶体结构的离子门控双层晶体管，该结构由二硫化钼单层与分子晶体单层堆叠构成。这种构型使得正负电荷在相邻空间内形成耦合的电子-离子偶极子，实现了在室温和高电荷密度条件下仍能稳定工作的电荷局域化。该研究为利用关联电子输运现象开辟了新途径，对凝聚态物理、材料科学、物理化学及现代电子技术领域兼具基础研究价值与实用意义。
自场效应晶体管概念提出以来，研究人员始终致力于通过材料特性调控实现可调制的电荷迁移率与局域化。近年来莫尔晶格工程的发展为创建周期性势场提供了新途径，该技术能轻易地将电荷局域在具有可调填充因子的莫尔元胞内，从而产生关联绝缘态和非平凡能带拓扑。然而相对较弱的层间势会产生热力学上不稳定的量子态，这些态对难以避免的莫尔无序和热涨落极为敏感。如何将这些成果转化为室温下的电荷局域化实现，仍是当前尚未攻克的技术难题。通过调控固体中移动电荷的局域化状态，我们能够发现关联物理现象，但要将此应用于下一代电子器件开发，则需在实际工况下实现这种调控。
本研究报道了在高质量双层晶体管中实现的室温可切换电荷局域化，该器件由分子晶体单层与半导体单层堆叠构成。借助离子栅极调控，本文可选择性填充局域化分子态或半导体能带态，在载流子密度高达3×10¹³/cm²时仍能实现从移动电荷到完全局域化的转变。该转变通过形成耦合电子-离子偶极子获得能量稳定，且可通过库仑工程进行调控。这些特性进一步实现了无掺杂剂的单能带双极性晶体管操作，展现出电子-离子关联效应在实际电子应用中的潜力。
图1| 离子耦合双层晶体管及其电荷局域化的原位调控与测量
要点：
1.有研究提出，通过采用势垒分隔的双层结构可提升维格纳晶化等局域化现象的能量尺度。由于层间附加的库仑相互作用，向局域态转变的临界点可移至更高电子密度。从经典电磁学角度，可通过比较两种静电机制来理解该现象：电容主导型与偶极主导型。在电容主导机制中，静电能量(U)由电容(C)决定，其随电荷密度(n)的变化遵循n²/C的关系，平行板电容器即为典型示例（图1A）。而当正负电荷发生强相互作用时，会形成束缚对，产生具有强屏蔽电场的局域化电中性偶极子（图1B）。在对应于可极化绝缘态的偶极主导机制中，U与n呈线性关系。要实现室温稳定的偶极主导机制，既需要稳定的局域态形成，又需要强电荷间相互作用。
2.本研究报道了离子门控双层晶体管中可切换的室温电荷局域化现象。晶体管导电通道基于四原子厚度的混合双层晶体（HBC），该结构由平面苝系分子晶体单层直接堆叠在过渡金属硫族化合物（TMD）单层上构成，同时具备局域化和离域化电子态（图1C、D）。采用离子液体对HBC进行门控，在分子表面附近引入可移动阳离子。该方法最小化了HBC中电子与门控介质中阳离子的间距，从而增强库仑相互作用，促使室温下形成强束缚离子对。
图2|离子门控下HBC的电荷密度定量分析与静电特性
要点：
1.图2A展示了通过电容与反射率测量相结合获得的混合双层晶体各层电荷密度随栅压Vg的变化关系（详见补充材料）。当Vg< Vc时，总电荷密度nT ≈ nMS，表明所有注入电子均占据MoS₂的导带，峰值密度约为10¹³ cm⁻²（记作n*）。当Vg > Vc时，HBC持续接收电荷注入，但出现从MoS₂到PDI的异常电荷转移。在最大Vg时，nMS降至10¹² cm⁻²以下，而nPDI达到3×10¹³ cm⁻²，相当于三分之一的PDI分子被充电。值得注意的是，图2A中nMS-Vg曲线与图1F中Isd-Vg曲线高度吻合，且nPDI-Vg曲线与PDI的光致漂白信号强相关。这些特征表明HBC的整体电导率由nMS决定，而非nT或nPDI，且从MoS₂层耗尽的移动电荷在III、IV阶段被局域在分子层中。霍尔测量进一步佐证了电荷密度定量结果，本文观察到系统进入nTC区域前后（II、III阶段）霍尔迁移率保持连贯。这种异常nTC主要源于移动电荷向局域态的转移，其机制与文献中通常用高载流子密度下迁移率降低解释电导率下降的现象有本质区别。
2.图2B展示了三个离子门控器件的总电容CT测量结果（CT = e∂nT/∂Vg，e为元电荷）。以金电极或单层MoS₂替代HBC制备的Au器件和MoS₂器件分别代表传统平板电容器和场效应晶体管。Au器件呈现与Vg无关的CT，反映双电层几何电容Cg；MoS₂器件在初始上升后因量子电容效应保持CT < Cg的恒定值。这两类器件均符合电容主导的静电模型。然而HBC器件在III阶段表现出显著增强的电容（CT > Cg），这一结果超出预期——由于Cg与MoS₂、PDI层的量子电容串联，总电容通常应小于几何电容。CT相对于Cg的增强表明HBC器件中电容模型失效。
3.为研究HBC的静电屏蔽特性，本文在图2C中绘制了参数κPDI = ∂nMS/∂nT随Vg的变化关系。器件中密度为nT的阳离子与HBC内注入电子形成双电层平衡，该双电层产生的电场（E）会被PDI层电荷屏蔽（图2A插图），产生穿透电场（Ep），本文通过κPDI量化该效应。κPDI也与PDI层的电子不可压缩性相关，正常取值范围为0-1：κPDI = 0（κPDI = 1）表示PDI层具有完全（最小）屏蔽及（不可）压缩特性。在低Vg时，κPDI趋近于1，表明中性PDI层屏蔽作用微弱；在高Vg时，κPDI急剧下降并转为负值（III阶段）。这种κPDI < 0的异常屏蔽行为被称为过屏蔽效应，表明当nT增加时，PDI层获得的电子超过完全屏蔽阳离子电场所需数量，超额电子通过直接电荷转移来自MoS₂层。负κPDI是局域电荷存在关联效应的强有力证据。本文的定量测量证实，基于平板电容的静电模型不适用于器件中的电荷局域化区域，因此需要建立新的静电描述理论。
图3| 电荷局域化的机理研究与库仑工程调控
要点：
1.图3展示了本文的理论模型，该模型将实验结果解释为从电容主导机制向偶极主导机制转变的直接体现（图3A、B）。尽管模型简化，但成功复现了关键实验现象，包括电荷转移和过屏蔽效应（κPDI < 0）。局域电荷的强屏蔽效应可通过离子对形成机制阐释（图3B），这是超越平均场理论的库仑关联现象。在此机制中，带电PDI分子会与阳离子结合形成离子对，其行为类似于电偶极子。这种结构导致局域电荷间的偶极-偶极排斥大幅减弱，从而消除了e²n²PDI项，并以减弱形式呈现e²nMSnPDI所表征的电荷-偶极排斥。该离子对模型在理论上还被提出可突破亥姆霍兹电容极限提升双电层电容，与本文的电容数据高度吻合。
2.图3D通过不同锂离子浓度下的循环伏安测试，为带电PDI与小尺寸阳离子（Li⁺）的离子对形成提供了证据。本实验采用的改性PDI分子（m-PDI，具有更高溶解性）与HBC中使用的PDI类似，存在两种带电态：m-PDI⁻和m-PDI²⁻，各自对应伏安曲线中的单电子转移峰。随着Li⁺浓度增加，m-PDI²⁻对应的峰位向m-PDI⁻峰位靠近。这种峰间距缩小表明双电荷m-PDI²⁻上的电子间排斥作用因Li⁺形成离子对而被显著削弱和屏蔽。
图4| 单能级双极性工作模式
要点：
1.可控的载流子局域化及其可逆过程实现了新型晶体管工作模式（图4）。传统场效应晶体管的载流子类型和工作模式由掺杂剂固定，而本文的离子耦合双层晶体管具有单能级双极性特性，其独特之处在于能在单一导带内同时实现电子积累（n型工作）与耗尽（“p型”工作）（图4A）。这与传统双极性晶体管同时涉及导带电子和价带空穴的机制有本质区别。在较低栅压下电荷处于离域态传导电流，而在较高栅压下偶极子形成导致电荷局域化，从而耗尽移动电荷。
2.图4C、D展示了典型HBC双层晶体管在不同栅压下的源漏电流-电压特性曲线。器件同时呈现n型与“p型”工作模式：在积累（耗尽）区域，电流随栅压增大而升高（降低），两种模式在较高|Vsd|下均呈现电流饱和特性且导通电流水平相近。由于仅涉及单一载流子类型，两种工作模式下的载流子迁移率和接触电阻预期保持一致。若将先进接触金属（如半金属）应用于本文的双层晶体管，有望在两种模式下实现超高电流密度，这仍是二维晶体管领域面临的重大挑战之一。
3.除室温电荷局域化特性外，本文的HBC材料还展现出晶圆级器件制备与集成所需的其他优异特性：首先，HBC能耐受批量微加工过程中的化学物理环境（包括光刻胶、显影剂、热循环及光照）（图4B）；其次，双层晶体管在双极性工作模式下即使承受超过10¹³ cm⁻²的高电荷密度仍保持高耐久性（图4E）；最后，得益于原子级厚度，器件充电速度超过10微秒，主要受RC延迟限制。通过进一步优化器件结构、接触电阻和寄生电容，工作速度有望突破吉赫兹范围——在此区间内双电层亚纳秒级本征重组时间可能成为主导因素。
本研究提出了一种通过设计合成混合晶体实现室温下关联电子现象调控的策略，其核心要素包括：（1）采用化学结构一致的二维分子晶体构筑高密度周期体系，为稳定且明确界定的局域态提供载体；（2）与二维半导体实现无缝集成，实现直接电子调控与原位探测；（3）利用离子栅在极短距离内提供高密度抗衡电荷，使相互作用能量尺度突破室温热涨落能垒。这些特性为开发具有关联量子电子效应的混合固体材料开辟了新途径，兼具基础研究价值与实际应用潜力。
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