摘要：近期，Tingxin Li及其团队提出了一种创新的二维窗口接触方法，通过结合铋金属和六方氮化硼（hBN）封装技术，成功降低了接触电阻，并实现了在低载流子密度下的高迁移率和分数量子霍尔态的探测。这一方法不仅突破了低温量子传输实验的瓶颈，也为未来低温纳米电子学的发
近期，Tingxin Li及其团队提出了一种创新的二维窗口接触方法，通过结合铋金属和六方氮化硼（hBN）封装技术，成功降低了接触电阻，并实现了在低载流子密度下的高迁移率和分数量子霍尔态的探测。这一方法不仅突破了低温量子传输实验的瓶颈，也为未来低温纳米电子学的发展提供了新的思路。相关成果发表在Nature Electronics上。
研究背景
随着二维材料研究的快速发展，过渡金属二硫化物（TMDs）等原子层级的范德华半导体因其独特的电子特性和高理论载流子迁移率，成为高性能电子器件的重要平台。然而，实现这些材料在实际器件中的高迁移率仍面临诸多挑战。尤其是在低温和低载流子密度下，接触电阻和肖特基势垒的存在使得高效的电子传输变得困难，限制了量子霍尔效应等低温量子现象的探测。
随着纳米技术和二维材料的发展，基于过渡金属二硫族化物（TMDs）的半导体器件逐渐成为高性能电子器件的研究热点。这些材料由于其本征半导体带隙和理论上较高的载流子迁移率，已成为下一代电子器件的理想平台。然而，尽管二维TMD材料在理论上具有高迁移率，实际应用中其载流子迁移率仍然受到严重限制，主要受到声子散射的影响，尤其是在室温下。这使得实现高迁移率的二维TMD器件面临巨大挑战。
在低温下，这些材料的迁移率得以显著提高，因此低温下对TMD器件的研究成为一种趋势。此外，六方氮化硼（hBN）作为封装材料，其原子级平整度和化学稳定性已被证明能够有效减小基底和界面引起的无序效应，从而提升TMD器件的性能。
然而，尽管在低温下采取了多种策略来改善TMD器件的接触问题，但对于hBN封装的TMD器件，尤其是在低载流子密度下，形成欧姆接触仍然是一个棘手的问题。金属电极与二维TMD材料接触时常常形成肖特基势垒，这会导致低透明度的电子传输，从而影响器件本征电子特性的探测。针对这一问题，研究人员提出了多种改进措施，但这些方法仍然存在局限性，尤其是在接触电阻和低载流子密度下，难以进行量子霍尔效应的测量。
○ 窗口式接触方法的创新
针对上述挑战，Siwen Zhao及其团队提出了一种新的窗口式接触方法，用于在低温和低载流子密度下实现n型高迁移率MoS₂晶体管的欧姆接触。该方法使得在高磁场和低温下，能够对分数量子霍尔效应进行有效探测，并且获得了高场效应迁移率。该技术不仅克服了肖特基势垒带来的问题，而且能够在接近导带边缘的低载流子密度下实现欧姆接触，使得电子传输和量子效应的研究成为可能。
研究团队通过在几层hBN中预制蚀刻窗口，利用该窗口将bismuth（金属铋）与MoS₂接触。通过这种方式，研究人员不仅利用了bismuth与MoS₂之间优异的接触性能，还结合了hBN封装的优势，实现了高迁移率的MoS₂器件。窗口接触的方法与传统的金属接触方法不同，这种二维接触结构在低温下具有较低的接触电阻，并且能够有效避免低载流子密度下的接触失效问题。
○ 窗口式接触技术的实施与优势
在该研究中，团队使用了通过干转移法将hBN材料与MoS₂材料层叠，形成hBN/MoS₂/hBN的三明治结构。在几层hBN中，研究人员精确地蚀刻出大小约为1×1 μm²的二维窗口。这些窗口暴露了MoS₂层，接着通过热蒸发法将铋/金薄膜（25 nm/30 nm）沉积到hBN/MoS₂/hBN结构上，从而实现了欧姆接触。与传统的一维接触方式不同，这种二维窗口接触方法能够有效地减小接触电阻，并在低温下保持良好的接触性能。
实验结果显示，采用窗口式接触技术的MoS₂晶体管在1.5 K时，接触电阻为450 Ω·μm，载流子密度为4.1×10¹² cm⁻²，远低于先前在类似温度下报道的接触电阻值。这表明，窗口式接触方法在低温下能够显著降低接触电阻，保证MoS₂器件的优良性能。
○ 量子霍尔效应的观测
利用这一新型窗口式接触技术，研究团队成功地在高磁场和低温下对MoS₂晶体管进行了量子霍尔效应的测量。在20 T的磁场下，载流子密度为2×10¹¹ cm⁻²时，研究人员在双层MoS₂晶体管中观察到了分数量子霍尔效应。研究发现，MoS₂晶体管在34 T的高磁场和0.3 K的低温下，出现了4/5和2/5的分数量子霍尔状态。
值得注意的是，研究人员还利用双门电压扫描，成功探测到MoS₂双层结构中的朗道能级穿越现象。通过这种方式，研究人员能够针对每层TMD材料的朗道能级进行单独探测，为未来调控分数量子霍尔效应提供了新的途径。
○ 低温下的接触与迁移率优化
此外，研究还表明，采用该窗口接触技术的MoS₂晶体管在低温下能够达到显著优化的迁移率。研究团队通过实验测量了器件的电流-电压特性，发现这些器件展示出了优异的开关比（超过10⁶）和高达105 cm²V⁻¹s⁻¹的场效应迁移率。通过分析迁移率的温度依赖性，研究人员验证了这种设备的迁移率遵循Matthiessen定律，即低温下，杂质和声子散射共同决定了器件的迁移率。
在实验中，研究人员还发现，随着温度降低，MoS₂晶体管的迁移率逐渐趋于平稳，并在20 K以下达到最大值。这一现象表明，冷却至低温下，MoS₂器件的电子输运性能得到了显著提升，进一步证明了低温对于提高TMD材料性能的关键作用。
未来展望
该研究提出的窗口式接触方法为低温下对二维TMD材料进行量子霍尔效应研究提供了新的思路。未来，随着对接触技术的不断优化和低温下量子效应的进一步探测，预计这一技术将在低温纳米电子学领域，尤其是量子计算和量子传感等方向，发挥重要作用。
例如，随着n型和p型TMD器件的低载流子浓度接触技术的不断成熟，低温下的量子霍尔效应研究将为开发新型量子器件和量子计算平台提供坚实的基础。此外，低温下的纳米放大器、低温放大器和互补逻辑电路等应用也将因此受益，为未来低温纳米电子学的发展开辟新的方向。
图1 | 在n型MoS₂晶体管中探测分数量子霍尔态。示意图展示了MoS₂晶体管中的二维窗口接触方法。窗口是在几层hBN中创建的，hBN用于封装MoS₂。黄色和绿色球体分别代表硫和钼原子。红色圆圈和箭头表示Landau能级填充因子为1/5的Laughlin态。
结论
综上所述，Zhao等人提出的窗口式接触技术为低温下实现MoS₂晶体管的高效欧姆接触提供了创新的解决方案。通过这一技术，研究人员成功地在高磁场和低温下探测到分数量子霍尔效应，并获得了高迁移率的电子输运特性。随着这一技术的不断发展，未来将有更多基于二维TMD材料的低温纳米电子学器件被开发出来，推动量子信息技术、低温放大器等领域的突破。
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--低维材料前沿
来源：Future远见
