Nano Res.[碳]│徐小志课题组：二维材料与金属界面接触工程综述

背景介绍

在摩尔定律逐渐逼近物理极限的背景下，以石墨烯、过渡金属硫族化合物为代表的二维材料，凭借原子级厚度、可调控带隙、高载流子迁移率等优异特性，成为研发下一代超薄、柔性、低功耗纳电子器件的核心材料。然而，二维材料与金属电极形成的接触界面存在的肖特基势垒、费米能级钉扎效应等问题，会导致接触电阻过高，严重限制器件的电荷输运效率，成为二维材料从实验室走向实际应用的主要技术障碍。

近日，华南师范大学高英鹏、马余华、常超为共同第一作者，华南师范大学的徐小志教授、周旭副研究员、以及深圳国际量子研究院的梁晶副研究员为共同通讯作者，在《Nano Research》发表了题为The contacts between two-dimensional materials and metal electrodes的综述论文，对二维材料与金属电极接触界面的研究进展进行了全面且系统的总结。该研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、广州市科技计划等项目的资助。

成果简介

研究团队首先阐明了二维材料-金属电极接触的核心物理原理，指出肖特基势垒在二维电子器件中呈现出独特的双重性：一方面，它是晶体管等逻辑器件中电荷输运的阻碍，易导致高接触电阻、器件性能不稳定；另一方面，其整流特性和内建电场可被有效利用，成为光电探测器、气体传感器、光伏电池等光电器件的核心功能单元。同时，团队详细分析了费米能级钉扎效应的三大起源(界面化学反应、二维材料本征缺陷、应变与晶格形变)，揭示了经典肖特基-莫特规则在二维体系中失效的根本原因。

针对接触界面的工程化调控，论文提出了两大核心策略：一是构建超低电阻欧姆接触的创新途径，包括范德华集成、界面掺杂、边缘接触、原子层键合等技术，可有效抑制费米能级钉扎、降低接触电阻，其中范德华转移电极技术能实现近乎理想的肖特-莫特极限接触，原子层键合接触更是将单层二硫化钼-金结的接触电阻降至 70 Ω·μm，且在 400℃下仍保持优异的热机械稳定性；二是通过势垒高度调控实现肖特基接触的功能化定制，为光电器件的性能优化提供了精准手段。

此外，研究团队还系统介绍了肖特基势垒高度和接触电阻的主流表征技术，包括变温 I-V 法、电容-电压法、Y函数法、转移长度法等，为接触界面的性能评估提供了标准化方法参考。论文同时指出了当前二维材料接触工程面临的关键挑战，如可规模化制备的低电阻欧姆接触、费米能级钉扎的普适性调控、界面性能的长期稳定性等，并提出了未来的研究方向。

“二维材料的原子级厚度让其表面与体相特性融为一体，而其与金属电极的接触界面更是决定器件性能的核心‘功能界面’” ,“本次综述不仅梳理了该领域的研究现状，更提出了‘界面即器件’的设计范式，未来的二维电子器件研发需要从单纯的低电阻追求，转向面向特定应用的接触界面功能定制，比如为柔性电子设计耐应变接触、为量子器件设计低退相干接触。”

“实现二维材料接触技术的产业化，还需要解决标准化制备和表征的问题，推动接触工程与传统硅基 CMOS 工艺的兼容集成。这需要材料、物理、微电子等多学科的交叉合作，从理论模型、材料创新到工艺集成进行全链条突破。”

该综述为二维材料接触界面的基础研究和工程化应用提供了全面的理论指导和实践参考，有望推动二维材料在超低功耗晶体管、高性能光电探测、神经形态计算、量子传感等前沿领域的产业化应用，为后摩尔时代的电子信息产业发展提供新的技术支撑。

图文导读

图1.二维材料-金属电极接触示意图。(a，c)石墨烯与过渡金属二硫化物(TMDs)的原子结构侧视图。(b，d)石墨烯与TMDs原子结构俯视图。(e，f)芯片、场效应晶体管(FET)及光电探测器示意图。(g)金属-二维材料界面的欧姆接触能带图。(h)欧姆接触I-V曲线。(i)金属-二维材料界面的肖特基接触能带图。(j)肖特基接触I-V曲线。

表1. 肖特基接触与欧姆接触的I-V曲线特性

图2. 肖特基势垒高度的提取过程。(a)不同温度下FET器件的I-V曲线。(b)不同V_DS下Arrhenius图。(c)从(b)图提取的斜率。纵截距代表肖特基势垒高度。

表2. 三种接触电阻提取方法

图3. 二维材料-金属电极接触形成的物理过程。(a-c)金属与n型二维半导体之间形成肖特基接触示意图。(d-f)金属-二维半导体接触的能级图。(g)不同金属与不同二维材料的能带排列。(h-j)石墨烯与不同功函数的二维材料接触特性。

图4.肖特基接触与欧姆接触的应用。

图5. 二维材料-金属接触界面处费米钉扎效应(FLP)的形成。(a)能带图展示了FLP现象。(b)通过物理气相沉积法沉积金属电极时，金属颗粒的高能轰击会破坏底层二维材料的原子晶格。图(c-e)所示的机制共同促成界面态的产生，最终形成(a)中的FLP效应。(c)反应性金属(如钛、铝)可与二维材料形成化学键。(d)二维体系中普遍存在多种缺陷类型，包括空位、置换杂质和间隙原子。(e)金属接触可诱导二维材料产生局域应变。黄色球体代表金属原子，绿色球棍模型表示二维材料，虚线球体代表原子空位缺陷，虚线箭头指示应力方向。

图6. (a)利用范德华力辅助转移技术。(b)MoS₂表面转移金电极的横截面示意图及TEM图像。(c)二硫化钼表面电子束沉积金电极的横截面示意图及TEM图像。(d)WSe₂/PPC/Au三层结构的横截面SEM图像。(e) PPC层分解后WSe₂/Au范德华界面的高分辨率TEM横截面图像。

图7. 金属电极转移到二维材料上的简要过程。(a)晶圆级二硫化钼的硒介导转移过程示意图。(b) BP的范德华剥离制造工艺。

图8. 优化接触面积以提升接触质量。(a)引入种子层以实现接触集成或改善接触质量。(b)二硫化钼上多层 PTCDA/HfO₂的明场横截面STEM图像。(c)典型二硫化钼FET中导带能级以下的能级分布。(d)接触区域掺杂。(e)三层MoS₂中钇掺杂诱导相变的横截面STEM图像与EELS图谱。(f)将 MoS₂FET在室温下的弹道输运比率与短沟道FET的弹道输运比率进行比较。(g)范德华力集成过程。(h)MoTe₂/Gr/Pd界面暗场STEM图像。(i) MoTe₂/Pd与MoTe₂/Gr/Pd的肖特基势垒高度。

图9. 开发新材料和接触方法以提高接触质量。(a)开发新型材料，如半金属接触。(b) Sb (0112)-MoS₂接触的原子分辨率放大图像。(c)单层二硫化钼及其他文献中半导体的R_C随n_2D的变化关系。黑色实线表示R_C的量子极限。(d)Flament接触。(e)单个器件的SEM图像。(f)传统3D接触与准0D接触的导通电流对比。

图10. 开发新材料和接触方法以提高接触质量。(a)边缘接触。(b)同一MoS₂条带上顶部接触的MoS₂FET和边缘接触的MoS₂FET的光学图像。(c)顶部接触的MoS₂FET和边缘接触的MoS₂FET的输出特性。(d)原子层键合(ALB)接触。(e) 30nm短沟道MoS₂FET的横截面TEM图像。(f) ALB接触与Sb范德华接触的雷达图。

作者简介

徐小志，华南师范大学物理学院凝聚态物理研究所副所长，广东省量子调控工程与材料重点实验室副主任，教授，课题组长。本科毕业于东南大学物理系（2012），博士毕业于北京大学前沿交叉学科研究院（2017）。之后在北京大学物理学院从事博士后研究并于2019年入职华南师范大学。长期从事低维材料与表面物理研究。发表（共同）通讯/第一作者论文24篇，包括Nature正刊2篇、Nature子刊6篇，获授权发明专利23项。主持国家自然科学基金优秀青年基金、国家重点研发计划课题、国防科技创新特区项目、广东省重点领域研发计划、广东省杰出青年基金等项目。获评“2019中国十大新锐科技人物”、“2024年广东省青年科技创新奖”、“2024年广东省青年五四奖章”。核心技术成果获评“2024年日内瓦国际发明特别展金奖”、“2024年中国发明协会发明创业奖创新奖一等奖”、“2020年中国重大技术进展”、“2020年度中国半导体十大研究进展”、2019年中国百篇最具影响国际学术论文。目前担任《Materials futures》、《Frontiers of physics》、《Exploration》杂志青年编委。

周旭，2020年由华南师范大学高层次人才计划引进，任职副研究员，主要从事低维材料光谱物理与器件研究。在国际著名科学期刊发表SCI论文17篇，申请和已授权发明类专利4项，参与编撰书籍1本，其中包括Nature Photonics，Nature Communicatons，JACS，Advanced Materials，Advanced Functional Materials，ACS Nano，Nanoscale，APL等。

梁晶，深圳国际量子研究院副研究员，量子光电子课题组负责人。2015年本科毕业于南京大学；2020年博士毕业于北京大学；2021–2024年通过“SBQMI Postdoctoral Fellowship”于不列颠哥伦比亚大学（加拿大）从事博士后研究。2024年起于深圳国际量子研究院工作。主要从事二维材料物理机制和器件应用研究，发展了系列超快/非线性纳米光谱学表征技术以及应变/界面调控技术。近年来发表学术论文30余篇，其中一作论文14篇，包括Nature Nanotechnology、Physical Review X 2篇、Nature Communications、Science Advances、Advanced Materials 2篇、Nano Letters 2篇等。

文章信息

Gao Y, Ma Y, Chang C, et al. The contacts between two-dimensional materials and metal electrodes. Nano Research, 2026, 19(6): 94908584.

https://doi.org/10.26599/NR.2026.94908584.