芝加哥大学，Science！

编辑总结

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，目前的方法依赖于较弱的相互作用势，因此仅在低温环境下有效。本文开发了离子调控的双层晶体管，该晶体管由一层单分子晶体叠加在一层二硫化钼（MoS₂）单层半导体上形成的混合双层晶体组成。

这种结构使得正负电荷在极近距离内形成耦合电子-离子偶极子，从而实现了足够稳健的电荷局域化，使其能够在室温和高电荷密度下工作。该工作为利用关联电子输运现象提供了新机遇，可能在固态物理、材料科学、物理化学以及现代电子学领域具有基础和实际应用价值。—Yury Suleymanov

研究背景

控制固体中移动电荷的局域化能够发现关联物理现象，但若要将其用于下一代电子器件的开发，则必须在实际条件下实现这一控制。针对这一挑战，美国芝加哥大学Jiwoong Park教授课题组在“Science”期刊上发表了题为“Room-temperature charge localization in ion-coupled bilayer transistors”的最新论文。该团队报道了在高质量双层晶体管中实现的室温可开关电荷局域化，该晶体管由一层分子晶体单层覆盖在一层半导体单层上构成。

该文通过使用离子栅，团队可以选择性地填充局域分子态或半导体能带态，实现电荷在密度高达3×10¹³ cm⁻²时的完全局域化。这一转变通过形成耦合电子-离子偶极子在能量上得到稳定，并可通过库仑工程进行调控。这些特性进一步使得无需掺杂杂质即可实现单能带双极晶体管操作，展示了电子-离子关联在实际电子应用中的潜力。

研究亮点

（1）实验首次在室温下实现了高密度电荷的可开关局域化，采用了由单层分子晶体叠加在单层过渡金属二硫化物（TMD）上形成的混合双层晶体（HBC）作为晶体管导电通道。通过离子液体栅极引入移动阳离子，成功在分子表面附近形成强束缚电子-离子偶极子，实现了高达3×10¹³ cm⁻²的电荷完全局域化，并能够在室温下稳定存在。

（2）实验通过离子栅调控HBC中的局域分子态和半导体能带态，实现了电荷在局域态与离域态之间的可逆切换。研究显示，电子-离子偶极子的形成增强了库仑相互作用，使局域化能量得到稳定，并驱动系统进入偶极子主导的电荷分布状态。基于此特性，HBC双层晶体管实现了无需掺杂杂质的单能带双极晶体管操作，展现了电子-离子关联在实际电子器件应用中的潜力。此外，通过同时进行电输运和光学测量，研究还揭示了局域态与离域态共存的能态结构，为理解高密度电荷局域化和关联电子输运提供了新的实验平台。

（3）实验通过对比电容主导与偶极子主导的静电模型，系统阐明了高密度电荷局域化的机制，即在偶极子主导状态下，能量与电荷密度呈线性关系，从而克服了传统莫尔工程在室温和高密度下的局域化限制。这为在实用条件下利用关联电子输运现象提供了新的材料设计策略，并在固态物理、材料科学和现代电子学中具有重要应用前景。

图文解读

图1：离子耦合双层晶体管及电荷局域化的原位控制与测量。

图2：离子门控下HBC电荷密度的定量分析及其静电特性研究。

图3：电荷局域化的机理研究与库仑工程。

图4：单带双极操作。

结论展望

本文的研究提出了一种策略，通过合成定制的混合晶体，在室温下实现并调控关联电子现象。该策略包括：（i）由化学相同单元组成的二维分子晶体，构成高密度周期体系，用于承载稳定且明确的局域态；（ii）与二维半导体的无缝整合，实现直接电子调控及原位探测；（iii）离子栅提供高密度的反电荷，并保持极短距离，使相互作用的能量尺度超过室温热能。这些特性可进一步为开发具有关联量子电子现象的混合固体提供强有力的方法，既适用于基础研究，也具有实际应用潜力。

原文详情：

Mengyu Gao et al. ,Room-temperature charge localization in ion-coupled bilayer transistors.Science390,356-360(2025).DOI:10.1126/science.ady7969

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