基于多酸分子结的隧穿输运到肖特基势垒的转变

肖特基势垒器件因其低功耗、高速开关特性及在高频和极端环境下的稳定性，被广泛应用于场效应晶体管、铁电器件等现代电子组件中。然而，传统肖特基势垒主要形成于金属-半导体的宏观界面，难以在微纳尺度上高效实现。这主要受限于分子的离散能级、金属-分子键合不足以诱导能带弯曲，以及分子结长度有限，难以形成有效的耗尽区。随着电子器件向小型化、高集成度发展，在纳米甚至亚纳米尺度控制肖特基势垒的形成与精准调控，已成为关键技术挑战。

近日，清华大学李远副教授与魏永革教授团队合作，利用两种多酸（polyoxometalates, POM）纳米团簇构建自组装单分子层（self-assembled monolayer, SAM），并结合镓铟合金（Ga and In alloy, EGaIn）顶电极，成功实现了分子尺度肖特基二极管的开发。研究表明，在±1.0 V偏压范围内，两种多酸分子结均呈现典型的隧穿传输行为；而当偏压增至±2.0 V时，电荷传输机制发生显著转变，表现出优异的整流特性。其中，2S-V₆-2S分子结的整流比高达3654，结合温度依赖性测试结果，进一步证实了二极管的整流机制来源于肖特基势垒。

进一步理论分析表明，多酸分子结的电荷传输机制主要依赖于多酸与氧化镓表面的强耦合作用、电子注入效率及能级对齐效应。多酸的高电子亲和能使其与EGaIn电极的氧化镓表面形成强耦合，在较高偏压下，分子受库仑引力作用更接近电极，进一步增强了分子-电极耦合强度，促进了电子从氧化镓向多酸的转移。此外，多酸的离域d轨道和低LUMO能级显著提升了电子注入效率，界面电子积累诱导的界面电子态最终形成了类肖特基势垒结构。DFT计算结果表明，多酸与氧化镓的相互作用距离越短，吸附能越负，耦合强度越高，进一步验证了上述机制。