二維材料湖南省重點實驗室在組分調控二維合金功函數及其應用中取得重要突破

10月26日，二維材料湖南省重點實驗室研究報道了一種基于合金組分調控金屬功函數的方法，可用于構建能帶匹配的二維金屬/二維半導體接觸，為新一代電子器件的構築提供了新途徑。

随着半導體産業的高速發展，矽基晶體管的持續縮放已逼近其特征尺寸的物理極限。尋找功函數匹配的二維金屬/半導體接觸對于構建高性能器件來說至關重要。合成具有可變功函數的二維金屬材料、構建能帶匹配的金屬/半導體接觸是一個挑戰。

作者團隊通過一步化學氣相沉積（CVD）法合成了組分連續可調的二維VS2xSe2(1-x)合金納米片，合成的納米片具有良好的六邊形晶體結構，元素分布均勻。通過調控硫前驅體蒸發溫度（當溫度從175℃升高到210℃時），合金組分x呈現從0到1的變化，合金組分x與溫度呈現準線性關系。開爾文探針力顯微鏡（KPFM）研究證明，VS2xSe2(1-x)合金納米片的功函數随着合金組分變化而變化。該合金功函數可以在4.79 eV（x = 0）到4.64 eV（x = 1）連續調控。

圖1. VS2xSe2(1-x)納米片的合成及表征。

圖2. 不同合金組分VS2xSe2(1-x)納米片在HOPG基底上的KPFM表征。

作者團隊在實驗室合成的VS2xSe2(1-x)合金納米片在調節金屬/半導體能帶對準和改善接觸質量方面具有很大的應用潛力。為此，作者團隊采用兩步CVD法制備了不同合金組分的VS2xSe2(1-x)/WSe2及VS2xSe2(1-x)/MoS2範德華異質結（vdWHs）場效應晶體管（FET）。二維金屬合金的功函數調控和能帶對準為二維金屬/半導體vdW異質結構的柔性設計和性能優化提供了新思路，為集成電子和光電子器件的發展提供了新途徑。

圖3.VS2xSe2(1-x)/WSe2 vdWH FET的KPFM測試和電學特性。

圖4. VS2xSe2(1-x)/MoS2 vdWH FET的KPFM測試和電學特性。

該研究論文以“Two-dimensional metallic alloy contacts with composition-tunable work functions”為題發表在國際頂級期刊《Nature Electronics》。二維材料湖南省重點實驗室主任、2003网站太阳集团段曦東教授和2003网站太阳集团李佳副教授是該工作的通訊作者，2003网站太阳集团博士研究生李鑫和中國科學院半導體所博士研究生龍浩然是該工作的第一作者。該工作得到了來自國家自然科學基金、湖南省創新群體項目、湖南省二維材料重點實驗室、國家重點研發計劃等項目的資助。