一作连发2篇Nature后，最新成果再登Nature Electronics！！

研究背景

二维过渡金属二硫化物（TMDs）是新兴的半导体材料，由于其优异的电子性能和独特的物理特性，已成为研究热点。尤其是在高性能电子设备的开发中，TMDs的潜力被广泛关注。然而，TMDs在实际应用中存在着一些关键问题，例如高缺陷密度、掺杂困难、p型的接触难题以及与工业兼容的高介电常数（high-k）介质的需求。这些问题严重影响了TMDs基电子器件的性能和稳定性。

成果简介

鉴于这些挑战，剑桥大学王琰博士生（一作兼通讯）、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”的研究论文。他们提出了多种解决方案，首先为了应对高缺陷密度问题，研究人员致力于开发低缺陷的二维TMDs材料，并优化其生长工艺。其次，为了解决掺杂和p型的接触问题，本文探索了不同的掺杂技术和接触材料，力求提高掺杂效率并改善接触质量。此外，针对高介电常数介质的需求，本文也希望研究者寻找与TMDs材料兼容的高-k介质，以减少对二维半导体通道的负面影响。

值得一提的是，本文的第一作者是来自中国的90后工科女孩，名叫王琰！她是江南大学（本科）、北京大学校友（硕士）；后来，优秀的她进入剑桥大学深造，在进入剑桥大学期间，她先后发表了2篇Nature，让人敬佩!

研究亮点

1. 本文展示了二维过渡金属二硫化物（TMDs）在高性能电子设备中的应用

本文通过对二维TMDs进行集成和优化，实现了从单一原理验证到可重复的集成设备的发展，标志着技术进步的重要里程碑。

2. 优化材料质量和界面，提升设备性能

本文指出通过改进二维TMDs的材料质量以及金属接触、电介质和TMDs之间的界面，可以进一步提升器件性能。

此外，本文指出优化后的材料和界面显著提高了器件的整体性能，尤其是在高质量材料的低缺陷浓度方面表现突出。缺陷密度的降低对提升二维TMDs的性能至关重要。

3. 关键挑战与建议

掺杂问题：高密度的缺陷影响了掺杂效果，需要开发更有效的掺杂策略。

p型接触：实现高性能p型接触仍然是一个挑战，需要进一步的研究和改进。

高介电常数介质：必须找到与CMOS兼容的高介电常数介质，这些介质不会对二维TMD通道造成负面影响。

图文解读

图1 二维TMD的缺陷。

图2 二维TMD的电触点。

图3 二维TMD的氧化电介质。

结论展望

随着TMDs技术从单次验证演示走向更具重复性的集成设备，材料质量和界面优化成为提升设备性能的关键因素。尤其是金属接触、电介质与二维半导体之间的界面质量直接影响到器件的性能，这要求科学家在材料制备和界面工程上更加精细化。

本文指出，当前的主要挑战包括掺杂问题、p型接触的实现以及高介电常数（high-k）介质的选择。掺杂和p型接触的难题主要源于TMDs中高密度的缺陷，这些缺陷不仅降低了器件的载流子迁移率，还导致了阈值电压的变化和电流波动。因此，减少缺陷浓度并提升材料质量是解决这些问题的关键。

此外，高介电常数介质的选择也是一个重要的挑战，因为不适当的介质可能会对二维TMD通道产生负面影响。本文建议研究者应当优先关注高质量低缺陷材料的生长，并探索与CMOS兼容的高介电常数介质。这不仅有助于提高器件的整体性能，还能推动这些创新技术在工业中的广泛应用。

文献信息

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).