魏洋研究组与合作者在“固-液”接触晶体管器件的研究中取得进展
2025年7月04日
二维半导体因其优异的本征电学、光学与力学等特性而备受瞩目，为充分发掘其特性常常需要为二维半导体精心构筑理想的接触界面。以场效应晶体管为例，器件性能受半导体/电极和半导体/介电层两类界面显著影响；而传统金属电极和介电层的沉积往往伴随高能物理、化学过程，极易引入不期望的掺杂与缺陷，甚至造成结构损伤，从而改变材料的本征属性和器件性能。尤其在柔性晶体管中，更易因异质界面刚度失配导致性能退化。因此，开发温和且通用的界面工程策略，对于二维材料在器件中的集成尤为关键。
近期，清华大学物理系副研究员魏洋及其合作团队，提出了一种构筑柔性场效应晶体管（FET）的新范式——以固-液界面实现电接触。如图 1 所示，受启发于微流控芯片，液态金属和离子液体分别被约束在PDMS微流道内：液态金属充当电极，离子液体为高效介电层。该设计在赋予晶体管内秉柔性的同时，有效削弱了样品制作中的损伤，从而为 MoS₂ 创造了近乎理想的原子级平滑的电接触界面。实验结果显示，所制备的 MoS₂ 晶体管亚阈值摆幅达到 60.7 mV/dec，逼近室温热力学极限;这归因于离子液体超大的电容和无损工艺对界面电荷陷阱的抑制。
图1 固液接触晶体管的设计概念(A)与传统工艺比较（B）。晶体管转移特性曲线（C）。对比本研究和其它以电解质为绝缘层的晶体管(D)。
如图 2 所示，研究团队将液态金属电极从 MoS₂ 体系成功拓展至 WS₂、MoSe₂ 与 MoTe₂，初步验证了该工艺策略的泛化性。对器件传输曲线进行变温测试，并结合热电子发射模型拟合，发现二维半导体/液态金属界面的费米钉扎因子显著提升至 0.7。这一提升归因于液态金属的成型工艺削弱了缺陷诱导的界面态的产生，进而显著抑制了界面态对费米能级的束缚。
图2 四种二维半导体与液态金属构建晶体管。变温转移特性曲线（A-D）,热电子发射模型拟合（E-H）以及肖特基势垒的提取（I-L）。M.二维半导体电子亲和能与液态金属功函数的对照。N.拟合费米钉扎因子。
固–液界面的机械与电学鲁棒性，已通过逻辑门、反相器以及类神经元器件在弯折前后性能无明显退化得以验证。其中，类神经元器件表现出具有极高线性度的电导可调性，这反映了半导体电子浓度高度受控的聚集/释放，这在构筑脉冲神经元构架中表现出显著优势。
本研究提出了一种半导体电接触界面的构筑方法，并展示了其在晶体管应用场景下的价值。该策略同样可为其他脆弱且具有本征新奇特性的材料体系的器件制备提供有益借鉴。研究成果以“Enhanced Electrical Interfaces in Flexible 2D Material Transistors via Liquid Metal and Ionic Liquid Injection”为题发表在Advanced material上。清华大学物理系魏洋副研究员、机械系谭新峰助理研究员和机械系郭丹研究员为该文的通讯作者，清华大学机械系博士生熊俊杰和物理系博士生鹿高甜为文章共同一作。该项工作得到国家重点研发计划（2022YFA1203401，2023YFB3405500）、国家自然科学基金（52305201、52350380、52175175 和 42241109）、以及高端装备界面科学与技术全国重点实验室自主项目（项目编号：SKLT2024Z04）的资助支持和清华-富士康纳米科技研究中心的支持。