研究背景
隨著電子技術的迅猛發展，基于二維（2D）過渡金屬二硫化物（TMDs）的電子器件因其獨特的性能和廣泛的應用前景而引起了科學家的高度關注。二維TMDs具有優異的電學、光學和機械特性，如高遷移率、可調帶隙和優良的柔韌性，使其在新型電子器件中表現出巨大的潛力。然而，二維TMDs在實際應用中的發展面臨著一系列挑戰，特別是在材料質量、界面工程和器件性能方面。二維TMDs的關鍵在于它們具有層狀結構，能夠在單層或少層的形式下表現出顯著的電學性能。盡管這些材料具有許多優良特性，但其在電子器件中的應用卻受限于幾個關鍵問題。這些問題包括高密度的點缺陷，這些缺陷對材料的電學性質和器件性能產生了顯著影響。此外，二維TMDs中存在的缺陷會導致電荷散射，降低遷移率，從而限制了器件的整體性能。為了克服這些挑戰，科學界正在集中解決以下幾個關鍵問題：首先是摻雜問題，尤其是p型摻雜，這在二維TMDs中仍然是一個難題。其次是低電阻接觸的實現，尤其是p型接觸，這對于高性能場效應晶體管（FETs）至關重要。最后，必須開發與CMOS兼容的高介電常數（high-k）介質，這種介質需要在不影響二維TMD通道性能的前提下實現良好的電氣性能。這些問題的解決對于提高器件的性能和實現工業化應用具有重要意義。有鑒于此，劍橋大學王琰以一作+通訊以及Manish Chhowalla教授團隊在“Nature Electronics”期刊上發表了題為“Critical challenges in the development of electronics based on two-dimensional transition metal dichalcogenides”的最新論文。研究人員提出了一些策略，例如在高質量的二維TMD材料生長過程中控制缺陷濃度，開發高性能的范德瓦耳斯（vdW）界面，以及探索適用于二維TMDs的高-k介質。通過這些努力，研究者們期望能夠克服現有的技術瓶頸，從而推動基于二維TMDs的電子器件向實際應用邁出重要一步。
研究亮點
1. 實驗首次基于二維過渡金屬二硫化物（TMDs）半導體開發的高性能電子設備，得到了從一次性原理驗證演示到更可重復的集成設備的顯著進展。
- 優化材料質量和界面：對金屬接觸、電介質和二維半導體之間的界面進行優化，以提高設備性能。這標志著材料質量和界面優化成為提升器件性能的關鍵步驟。
- 識別關鍵問題：研究中識別了摻雜、p型接觸和高介電常數介質作為關鍵挑戰，特別是由于二維TMDs中存在的高缺陷密度，導致摻雜、接觸和介質選擇成為亟待解決的問題。
- 建議改進方向：建議研究界應更多關注低缺陷濃度高質量材料的生長，并推薦識別與工業兼容的介質，以確保這些二維設備的實際應用價值。
圖文解讀
總結展望
本文強調了高性能二維（2D）過渡金屬二硫化物（TMDs）電子設備開發中的關鍵挑戰，并提出了針對這些挑戰的解決策略。當前，盡管TMDs在實驗室條件下顯示出優異的性能，但實際應用中仍面臨許多問題。首先，高缺陷密度顯著影響了TMDs的電子性能，因此，提升材料的質量并減少缺陷濃度是提高器件性能的關鍵。其次，金屬接觸、電介質和TMDs之間的界面需要優化，以確保設備的高效能。這包括開發與CMOS兼容的高介電常數介質，以減少對二維TMD通道的不良影響。此外，本文還指出，摻雜技術和p型接觸的挑戰也不容忽視。二維TMDs中的缺陷和摻雜問題導致了載流子濃度的難以調節和接觸性能的不穩定，從而影響了器件的整體性能。因此，研究者需要更加關注高質量低缺陷濃度材料的生長，并探索高兼容性的工業介質，以推動這些設備的實際應用。YWang, Y., Sarkar, S., Yan, H. et al. Critical challenges in the development of electronics based on two-dimensional transition metal dichalcogenides. Nat Electron (2024). https://doi.org/10.1038/s41928-024-01210-3
