研究背景
随着电子技术的迅猛发展，基于二维（2D）过渡金属二硫化物（TMDs）的电子器件因其独特的性能和广泛的应用前景而引起了科学家的高度关注。二维TMDs具有优异的电学、光学和机械特性，如高迁移率、可调带隙和优良的柔韧性，使其在新型电子器件中表现出巨大的潜力。然而，二维TMDs在实际应用中的发展面临着一系列挑战，特别是在材料质量、界面工程和器件性能方面。二维TMDs的关键在于它们具有层状结构，能够在单层或少层的形式下表现出显著的电学性能。尽管这些材料具有许多优良特性，但其在电子器件中的应用却受限于几个关键问题。这些问题包括高密度的点缺陷，这些缺陷对材料的电学性质和器件性能产生了显著影响。此外，二维TMDs中存在的缺陷会导致电荷散射，降低迁移率，从而限制了器件的整体性能。为了克服这些挑战，科学界正在集中解决以下几个关键问题：首先是掺杂问题，尤其是p型掺杂，这在二维TMDs中仍然是一个难题。其次是低电阻接触的实现，尤其是p型接触，这对于高性能场效应晶体管（FETs）至关重要。最后，必须开发与CMOS兼容的高介电常数（high-k）介质，这种介质需要在不影响二维TMD通道性能的前提下实现良好的电气性能。这些问题的解决对于提高器件的性能和实现工业化应用具有重要意义。有鉴于此，剑桥大学王琰以一作+通讯以及Manish Chhowalla教授团队在“Nature Electronics”期刊上发表了题为“Critical challenges in the development of electronics based on two-dimensional transition metal dichalcogenides”的最新论文。研究人员提出了一些策略，例如在高质量的二维TMD材料生长过程中控制缺陷浓度，开发高性能的范德瓦耳斯（vdW）界面，以及探索适用于二维TMDs的高-k介质。通过这些努力，研究者们期望能够克服现有的技术瓶颈，从而推动基于二维TMDs的电子器件向实际应用迈出重要一步。
研究亮点
1. 实验首次基于二维过渡金属二硫化物（TMDs）半导体开发的高性能电子设备，得到了从一次性原理验证演示到更可重复的集成设备的显著进展。
- 优化材料质量和界面：对金属接触、电介质和二维半导体之间的界面进行优化，以提高设备性能。这标志着材料质量和界面优化成为提升器件性能的关键步骤。
- 识别关键问题：研究中识别了掺杂、p型接触和高介电常数介质作为关键挑战，特别是由于二维TMDs中存在的高缺陷密度，导致掺杂、接触和介质选择成为亟待解决的问题。
- 建议改进方向：建议研究界应更多关注低缺陷浓度高质量材料的生长，并推荐识别与工业兼容的介质，以确保这些二维设备的实际应用价值。
图文解读
总结展望
本文强调了高性能二维（2D）过渡金属二硫化物（TMDs）电子设备开发中的关键挑战，并提出了针对这些挑战的解决策略。当前，尽管TMDs在实验室条件下显示出优异的性能，但实际应用中仍面临许多问题。首先，高缺陷密度显著影响了TMDs的电子性能，因此，提升材料的质量并减少缺陷浓度是提高器件性能的关键。其次，金属接触、电介质和TMDs之间的界面需要优化，以确保设备的高效能。这包括开发与CMOS兼容的高介电常数介质，以减少对二维TMD通道的不良影响。此外，本文还指出，掺杂技术和p型接触的挑战也不容忽视。二维TMDs中的缺陷和掺杂问题导致了载流子浓度的难以调节和接触性能的不稳定，从而影响了器件的整体性能。因此，研究者需要更加关注高质量低缺陷浓度材料的生长，并探索高兼容性的工业介质，以推动这些设备的实际应用。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
