有機電荷轉移分子調控二維材料電學特性研究取得進展

最新 12-05

近日，中國科學院微電子研究所在有機電荷轉移分子調控二維材料電學特性研究中取得新進展。

薄層過渡金屬二硫化物（TMDCs）以其獨特的電學、光電、機械和磁學特性為探索低維繫統中的新物理特性和應用途徑提供了一個新的平台。其中，在場效應晶體管應用中，少層二硫化鉬（MoS2）可以突破傳統半導體材料的短溝道極限。然而，硫元素的易揮發性會引入大量硫空位，在導帶邊緣以下的禁帶中引入缺陷態，從而導致施主能態相關的摻雜現象，這會制約其應用。

針對此問題，中科院院士、微電子所研究員劉明團隊提出了使用有機電荷轉移分子F4TCNQ與MoS2結合形成范德華界面，通過F4TCNQ與MoS2之間的電荷轉移來降低溝道內無柵壓情況下的載流子濃度。MoS2晶體管的開啟電壓（Von）從負數十伏被調製至0伏附近，F4TCNQ並未導致MoS2晶體管包含遷移率在內的任何電學性能的下降，其亞閾值擺幅（SS）反而明顯提升。團隊成員通過第一性原理計算以及掃描開爾文探針顯微鏡表徵證實了范德華界面處電荷轉移的存在性，並研究了F4TCNQ對MoS2態密度的調製以及空間電荷區中轉移電荷的分布特性。最後利用這種電荷轉移機制，團隊成員進一步探索了該范德華電荷轉移界面的兩種潛在應用：媲美於鐵電柵的超快開啟晶體管以及響應度超過1000%的還原性分析物的探測裝置。

該工作以Charge Transfer within the F4TCNQ-MoS2van der Waals Interface: Toward Electrical Properties Tuning and Gas Sensing Application為題發表在《先進功能材料》雜誌上（Advanced Functional Materials）。微電子所微電子重點實驗室博士後王嘉瑋為該論文第一作者，研究員李泠和國家納米科學中心研究員江潮為該論文共同通訊作者。

該項研究得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中科院戰略重點研究計劃等的資助。