导语
面对后摩尔时代对高性能场效应晶体管的发展需求，优化二维半导体与电极之间的接触质量尤为重要。对于包括狄拉克半金属等多种类型拓扑半金属材料的有效利用，成为该方向研究和应用的热点。其中，二维层状半金属PtBi2以其独特的三重简并费米子特点，展现出引人注目的载流子输运特性，这些特性部分源于其费米能级的维度诱导变化。同时PtBi2在低温下展示高达2.5×104 cm²/V·s的高迁移率，且具有优异的空气稳定性。尽管对PtBi2在凝聚态物理领域已有研究基础，如Rashba型自旋分裂和量子振荡等，但其在电子器件中的应用前景仍然是一个值得探索的未知领域。
近年来在晶体管设计中，半金属被发现可以用作为二维半导体（以过渡金属硫族化合物为例）沟道材料和金属电极间的中间层，从而降低半导体与金属电极接触的肖特基势垒。然而，常规溅射半金属过程有可能诱发费米钉扎效应，从而削弱器件性能。因此，采用非破坏性的范德瓦尔斯转移技术转移中间层可能是一种潜在的解决方案。
本项工作中，我们将三重简并半金属PtBi2作为基于WS2晶体管的中间层，显著降低了金属-半导体（MS）接触中的肖特基势垒。研究表明，通过中间层的范德瓦尔斯接触，可以有效避免费米钉扎效应，所获得的晶体管实现了线性输出，达到了超过106的开关比和85 cm²/V·s的高平均迁移率（6-8层 WS2）。最重要的是，PtBi2片状材料具有抗氧化性，能够长期维持其物理特性，是制造长期稳定器件的有力候选接触层材料之一。这一项工作成果扩大了半金属在晶体管技术中的应用范围，也弥合了有关PtBi2材料在理论研究和实际应用之间的差距。
关键词：三重简并半金属，范德华接触，二维晶体管
工作亮点
本研究利用非破坏性的范德瓦尔斯转移技术成功地将PtBi2和WS2结合，显著降低了肖特基势垒，实现了超过106的开关比和 85 cm2V-1s-1的平均迁移率 (6-8 layers WS2)。PtBi2的稳定特性也满足了集成电路的严格需求。这一技术的成功应用不仅提升了晶体管的性能，也展示了PtBi2在未来半导体技术中的应用潜力。
内容导读
1
PtBi2晶体及稳定性表征
图1 (a) 温度依赖电阻率；(b) PtBi2单晶X射线衍射图谱；(c) PtBi2/WS2接触前后拉曼图谱；(d) PtBi2长时间电学性能表征；(e) PtBi2长时间电阻变化；(f) PtBi2长时间拉曼图谱变化
图1展示了PtBi2晶体的温度依赖电阻率和X射线衍射（XRD）谱，反映了材料的高结晶性和优异的电学特性。此外，实验发现PtBi2材料的电学性能以及拉曼光谱并没有随着时间而发生明显改变，暴露在空气中五个月后仍然维持相同的电阻率以及拉曼特征峰，进一步证实了PtBi2材料在大气条件下的稳定性。
2
晶体管性能表征
图2 (a) 器件结构图；(b) 器件光学图片；(c) 输出曲线表征；(d) 转移曲线表征
图2展示了具有PtBi2范德瓦尔斯接触的WS2晶体管的结构示意图和光学图像，以及室温下典型的晶体管输出和转移曲线。基于PtBi2范德瓦尔斯接触的WS2晶体管具有高开关比（＞106）和良好的电子迁移率，展示了PtBi2在晶体管设计中作为接触层的有效性。通过对器件性能的统计，平均迁移率可达85 cm²/V·s。
3
温度依赖传输特性
图3 (a) 温度依赖转移曲线；(b) 对应的阿伦尼乌斯曲线；(c) 势垒高度的提取；(d) 温度依赖的场迁移率表征；(e) 基于PtBi2接触的薄层WS2晶体管转移曲线；(f) 基于PtBi2接触的薄层WS2势垒高度提取
图3展示了PtBi2接触的WS2晶体管从室温到低温的温度依赖传输特性，揭示了其在变温条件下的电子传输行为和肖特基势垒的变化。所提取的肖特基势垒高度随着WS2材料厚度的减小而降低，从而达到比传统金属电极更小的肖特基势垒高度（30 meV）。这一测试结果为理解和优化半导体器件的界面特性提供了重要信息。
4
厚度依赖的功函数分析
图4 (a) 原子力显微镜厚度表征；(b) 开尔文探针力显微镜接触电势表征；(c) PtBi2晶体的紫外光电子能谱表征；(d) 过渡金属硫族化合物能带对比
图4为原子力显微镜和开尔文探针力显微镜（KPFM）的相关测试结果。该图揭示了PtBi2的功函数，以及随着WS2厚度的减小导致的接触电势差（CPD）的变化。此外，紫外光电子能谱（UPS）表明PtBi2的费米能级为3.95 eV，这一工作函数比多层WS2的电子亲和能还低，说明当厚PtBi2接触原子薄层WS2时，几乎没有势垒高度。此外，还综合对比了不同二维过渡金属硫族化合物（TMDs）与金电极以及PtBi2接触的接触势垒，展示了PtBi2作为二维半导体与金属电极的中间层的适用性。
5
普适性和可重复性表征
图5 (a) 不同TMDs材料基于PtBi2接触的电学性能表征；(b)短沟道器件的电学性能表征；(c) 可重复性与统计分析
图5展示了在室温下，PtBi2接触WS2、MoS2以及WSe2通道材料的晶体管的转移特性和线性输出曲线。实验验证了PtBi2接触不同半导体材料形成晶体管的电学性能，展示了PtBi2作为接触层广泛的适用性。此外，通过WS2厚度与PtBi2接触晶体管迁移率的统计分析发现：在具有相同厚度WS2的器件中，基于PtBi2接触的晶体管性能具有良好的一致性和可重复性，这对于规模化应用具有实际参考意义。
总结与未来展望
作者简介
魏博翰
第一作者
2024届华南师范大学与松山湖材料实验室联培硕士生，主要从事新型二维材料场效应晶体管的基础研究
李云
共同通讯作者
于2022年10月获澳大利亚莫纳什大学（Monash University）博士学位，同年11月加入松山湖材料实验室林生晃研究员团队从事博士后科研工作。主要研究方向围绕低维材料生长及其光电子器件应用。
崔楠
共同通讯作者
松山湖材料实验室副研究员。2018年6月毕业于东北师范大学，先后在华南理工大学、中国科学院物理研究所从事博士后研究工作，研究方向为柔性光电器件与集成，在npj Flexible Electronics 等期刊上发表SCI论文20余篇，申请/授权发明专利6项，主持/主要参与国家自然科学基金3项，主持横向课题1项。
陈伟强
共同通讯作者
华南师范大学教授，广东省青年珠江学者，2016年获得新加坡国立大学博士学位，主要研究新型材料及结构的非线性光学和超快光学特性及其应用于深层组织光学成像和光诊疗、生物分子光学检测和光电检测。以第一作者在国际顶级期刊Nat. Commun. 发表论文两篇（15年和17年），在包括Nat. Commun., J. Phys. Chem. C, Opt. Lett., Opt. Express 等国际权威期刊上发表了系列高水平研究论文。申请美国专利1项。作为两个主要撰稿人申获新加坡教育部学术研究基金（二级）, 约500万人民币。
林生晃
通讯作者
工学博士，松山湖材料实验室研究员/团队负责人，主要从事低维光电功能材料与器件的研发以及光电子集成方面的工作，聚焦新材料体系的构建和新型光电子器件的系统集成，以期为下一代光电子产业发展提供新思路。迄今已在Nature Communications、Science Advances、Advanced Functional Materials、ACS Nano等期刊发表学术论文100 余篇，申请国家发明专利6项。
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研究论文 || ZnMy2原位钝化晶核构筑高亮度绿光InP基QLEDs（河南大学特种功能材料教育部重点实验室陈斐/吴政辉团队）
期刊特色｜Unique Features
01
免费开放获取，免除作者出版费
02
快速发表，文章被接收后24h内上线
03
“未来展望”，展示该研究领域前瞻性专家观点
04
自由格式撰写，排版工作由IOPP承担
期 刊 简 介
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Materials Futures（《材料展望》， ISSN 2752-5724）创刊于2022年，由松山湖材料实验室与英国物理学会出版社（IOPP）联合出版，入选“2022年度中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊”、“2023年度广东省高起点英文新刊项目”，2023年3月成为国际出版伦理委员会 (COPE) 成员，现已被ESCI、Ei、Scopus、Inspec、DOAJ、万方等数据库收录，即时影响因子达10.9。期刊致力于打造材料科学领域的高水平综合性期刊，为全球材料领域科学家搭建学术交流与合作平台。刊载范围聚焦结构材料、能源材料、生物材料、纳米材料、量子材料、信息材料、材料理论与计算。
自有出版平台：
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