▲第一作者：王泽高;通讯作者：董明东
通讯单位：四川大学材料科学与工程学院， 丹麦奥胡斯大学iNANO
论文DOI：https://doi.org/10.1016/j.mtphys.2020.100290
范德华接触的纳米器件，特别是在二维半导体上，展现了优异的电学性能。但是，范德华接触的制造仍然是一个挑战。本文采用层状还原氧化石墨烯（rGO）薄片作为缓冲层，在单层二硫化钼（MoS2）晶体管中成功构建Van der Waals接触，并屏蔽费米能级钉扎效应。结果表明rGO缓冲层的构建将有助于器件形成范德华接触，并导致肖特基势垒急剧下降，从而使MoS2晶体管的器件迁移率提高约十倍。过渡金属硫化物（TMDC）引起了人们的极大关注，不仅是因为二维材料与现今平面制造工艺的完美匹配性，更在于其优异的电子学性能和高集成度表现。 因此，TMDC也被认为是最有希望突破摩尔定律的材料。电接触在电子器件制备过程中极为重要，不良的电接触会增大器件功耗，降低器件寿命。特别是二硫化钼（MoS2），作为经典TMDC材料具有优异的特性，例如合适的带隙，高迁移率和室温环境的高稳定性。但硫化钼具有很大的范德华平面，在器件制备过程中极易产生各种缺陷。另外，电极材料和MoS2之间的功函失配也会引起高接触势垒，包括肖特基势垒和隧道势垒，增加接触电阻并抑制其器件性能。即使人们探索出一维的范德华边缘接触具有优异的电子特性，但是复杂的制备工艺仍限制其实际应用。在二维半导体器件中构建良好的范德华接触，无疑是一项更艰巨的挑战。在本文中，我们利用原子层厚度的还原氧化石墨烯（rGO）片作为缓冲层厚成功在CVD生长的单层MoS2晶体管中上构建了VDW接触。通过使用扫描探针显微镜，我们发现在rGO / MoS2异质结构中MoS2的功函数增加了0.12 eV。当p型掺杂的rGO用于MoS2的导电沟道时，MoS2晶体管的阈值电压会正向偏移9.8V，场效应迁移率可以增加大约十倍，并且rGO / Ti / Au电极的肖特基势垒会大幅降低至接近零。由此可见，在构建范德华接触方面，MoS2与rGO的具有强烈的耦合作用，具备优异的电子学特性。如图一所示，rGO的D带和G带分别位于~1350 cm-1 and ~1580 cm-1 处，MoS2的E2g和A1g带位于380 cm-1 和405 cm-1 处。复合rGO之后,MoS2的E2g带将从384 cm-1向下移至3810cm-1 ，表明rGO的p型掺杂效应，类似于MoS2 / WSe2异质结构。MoS2的E2g带半峰全宽（FWHM）也从5 cm-1大大增加到8 cm-1，但是A1g带的FWHM值却无明显改变。考虑拉曼光谱对于材料载流子浓度的敏感特性，光学振动带的变化表明耦合rGO后MoS2的载流子浓度发生了明确的改变。通过和CVD生长的graphene/ MoS2异质结构中的拉曼光谱相比，rGO/MoS2之间的耦合相互作用更强，电荷转移能力更强。▲图1. a. rGO，MoS2和MoS2 / rGO的拉曼光谱以及 MoS2的E2g，A1g峰位和峰宽。b. MoS2和rGO的光学图像。c-f. MoS2对应的A1g，E2g波段位置。g-h. rGO的D带和G带强度分布。
▲图2. rGO与单层MoS2之间的耦合相互作用。a,b. MoS2和MoS2 / rGO区域的AFM高度图和表面电势图。c. 表面电位分布。d. 使用和不使用rGO作为导电沟道MoS2晶体管的传输特性。
为了进一步揭示rGO和MoS2的耦合作用，我们利用开尔文探针力显微镜（KPFM）研究异质结的电子结构。如图2c所示，耦合rGO后MoS2的表面电势降低约120 mV，也即是 MoS2的功函数增加0.12 eV，表明rGO具有p型掺杂作用。这是由于rGO表面残留的氧官能团捕获并耗尽MoS2的电子载流子。通过对比相同集合构型的MoS2和MoS2 / rGO晶体管发现，虽然MoS2 / rGO晶体管发现表现出p型掺杂，但IDS仍然随着VGS的增加而增加，显示出n型行为晶体管I-V特性曲线，因此电子仍然是MoS2的多子。I-V曲线呈正向偏移9.8 V表示电子浓度下降，与KPFM结果相呼应。利用, 计算得知耦合rGO之后MoS2的电子浓度减少0.74 cm-2，迁移率由5 cm2/V a降至2 cm2/V， 即p型rGO掺杂有助于耗尽MoS2电子载流子，但其迁移率没有大幅改变。▲图3. 室温下纯MoS2和rGO/MoS2晶体管的电学性质。a，b，c. 纯MoS2和rGO/MoS2晶体管光镜图和 电子转移特性曲线。d. 场调控下rGO/MoS2晶体管的迁移率。
在此保持MoS2晶体管几何构型下，我们使用Ti / Au和rGO / Ti / Au研究单晶MoS2结构域内的范德华接触。图3b显示了MoS2晶体管使用传统的Ti / Au作为电极，当栅极电压约为0 V时，最大迁移率约为5 cm2 / V。相比之下，图3c显示了MoS2晶体管的传输特性使用rGO / Ti / Au作为电极。源漏电压稳定从0.5 V到3.0 V时，迁移率随电压增加，在VGS为70 V时达到约40 cm2 / V，甚至比使用CVD生长的graphene/MoS2晶体管还要高（17 cm2 / Vs）。▲图4. MoS2晶体管的低温传递特性和肖特基势垒。MoS2晶体管的传输特性和场效应迁移率(a, b. Ti / Au电极；c, d . rGO / Ti / Au作为电极)。e, f. MoS2晶体管的Arrhenius图和肖特基势垒。
为了进一步揭示其接触特性，我们在低温下测试MoS2晶体管的传输特性和场效应迁移率。可以看出MoS2晶体管的传输特性随温度增加而增加。使用Ti / Au电极接触的晶体管在不同温度下的迁移率表现出极值效应；相比之下，使用rGO / Ti / Au作为晶体管的低温迁移率在不同的栅极电压增加而变大。这得益于rGO层和MoS2之间的内在的肖特基接触在高栅极电压下有效地隧穿。温度调控的迁移率行为在较高的栅极电压下发生转换，传输行为从热电子发射转换为隧穿。因此，MoS2晶体管半导体特性演变为金属行为，声子散射行为最终决定载流子的迁移率。Ti / Au电极的肖特基势垒电极随栅极电压压呈指数下降，最终呈趋势至约38 meV饱和；但rGO / Ti / Au电极的肖特基势垒随着栅极电压增加而逐渐降低趋近于零。我们成功利用原子层厚度的rGO用作缓冲层来构造晶体管的范德华接触。首先，我们已经证明rGO会捕获来自MoS2的载流子导致p型掺杂效应。有效地使MoS2晶体管的场效应迁移率可以增加大约十倍。结合常温和低温测试可以看出，rGO / Ti / Au的电接触构型可以大大降低MoS2晶体管的肖特基势垒，接近零点。这项研究为未来大规模制造二维材料范德华接触提供了有利的参考。王泽高：四川大学特聘研究员，四川大学百人计划，四川省千人计划，于2014年获工学博士学位，随后在丹麦奥胡斯大学交叉多学科纳米科学中心进行博士后工作，于2018年入职四川大学材料科学与工程学院，担任正高级特聘研究员。课题组主要从事二维材料，如石墨烯、二硫化钼等新型电子信息材料的可控制备、元器件构筑以及表面界面研究，已发表140余篇论文，获得13项授权发明专利，主持国家自然基金、教育部科技项目及省重点项目等项目。董明东：丹麦奥胡斯大学终身教授，BioSPM组PI，长期致力于新型扫描探针显微术和其他各种表面敏感技术的开发，将探针技术用于跨学科的研究，涵盖新材料，物理，化学，生物，医学等多个领域。先后主持及参与过丹麦自然科学基金、欧共体自然科学基金等 20多个项目，是欧盟，瑞士，英国多个国家基金的专家评委，已在Nature, Nature Nanotechnology, Nature Chemistry等期刊发表学术论文400余篇。
