轨道角动量调控的多态光存储器：二硫化钼中光致陷阱态密度的创新应用

本研究针对当前光存储器在多态控制精度不足、能效低及材料平台适应性有限等关键挑战，提出了一种利用光轨道角动量（OAM）非接触调控的新方法。研究团队通过OAM光在二硫化钼（MoS2）等材料中诱导产生独特的纵向电场，显著增强了陷阱态密度，实现了读出电流、滞后窗口和电荷存储容量等关键器件特性的精确调制。该工作首次揭示了OAM光在二维材料存储器中的多级态调控能力，为下一代高功能光响应存储器件的发展提供了全新平台。

　　

随着可穿戴设备和柔性电子技术的快速发展，人们对高性能光电存储器件提出了更高要求。传统光学存储技术面临着多态控制精度有限、能耗效率低下以及在不同材料平台上适应性不足等突出问题。特别是在原子尺度器件领域，如何实现非接触式、低功耗的多级存储控制已成为行业发展的关键瓶颈。

在这一背景下，光控制技术因其非接触、低功耗的特点展现出独特优势。二维材料如二硫化钼（MoS₂）因其优异的半导体特性受到广泛关注。然而，光的轨道角动量（OAM）与二维材料相互作用的机制及其在存储器中的应用潜力尚未得到充分探索。这项发表于《SCIENCE ADVANCES》的研究首次系统揭示了OAM光在MoS₂基存储器中的调控作用，为开发新一代高性能光存储器提供了重要理论基础。

研究团队采用化学气相沉积（CVD）技术在硅衬底上制备了大面积连续单层MoS₂，并通过氧等离子体处理在SiO₂基底表面引入羟基官能团作为人工电荷陷阱态。研究人员设计了功能化陷阱MoS₂器件结构，系统研究了不同拓扑电荷（?）的OAM光对器件性能的调控作用。实验通过转移特性曲线测量、滞后窗口分析和电荷存储测试等方法，全面评估了OAM光在功率、曝光时间和温度等条件下的影响。

在器件结构与电学特性研究方面，研究人员发现经过O₂等离子体处理的SiO₂基底能有效增强MoS₂存储晶体管的可编程性。通过调控栅极电压（V_G）扫描范围和漏极电压（V_D），实现了可调的滞后窗口，为多级存储奠定了基础。

OAM光诱导的滞后和读出电流调制研究显示，随着OAM阶数（?）的增加，器件的滞后窗口和读出电流均显著增强。当?从0增加到11时，滞后窗口呈现系统性扩大，读出电荷量也相应增加。值得注意的是，这种增强效应在较高?值时趋于饱和，这与光束照射区域的扩大密切相关。

在功率、曝光时间和温度依赖性研究中，研究人员发现OAM光在低功率区域就能实现显著的性能提升，表现出优异的能效特性。曝光时间实验表明，较高阶数的OAM光可在较短时间内达到相同的存储效果。温度相关测量显示，在真空条件下器件的读出电流明显提高，且随着温度降低，读出电流和电荷均减少，表明电荷陷阱机制涉及热效应。

多态存储器特性表征结果表明，该器件在经历100次擦除-写入-读取循环后仍保持稳定的性能。保留时间测试显示，器件在不同OAM光写入后能保持存储状态达100秒以上，成功实现了多级态区分。

机制讨论部分深入分析了OAM光诱导的纵向电场对陷阱态密度的调制作用。理论计算表明，OAM光产生的纵向电场（E_z）强度随拓扑电荷的增加而显著增强。通过Poole-Frenkel效应模型分析，证实了滞后窗口变化与纵向电场强度的平方根呈线性关系，表明OAM光通过增强陷阱态密度来改善存储器性能。

这项研究的创新之处在于首次将光的轨道角动量作为新的自由度引入光电存储器领域，实现了对MoS₂基存储器件的多级态精确调控。研究不仅揭示了OAM光通过纵向电场调制陷阱态密度的物理机制，还验证了该方法在不同材料系统中的普适性。该技术为开发高密度、低功耗的非易失性存储器提供了全新思路，有望推动光控存储技术在量子信息处理、人工智能芯片等前沿领域的应用。