近日，深圳研究生院信息工程學(xué)院張盛東教授課題組在國(guó)際著名期刊Advanced Materials（IF：27.4）以Frontispiece高亮推薦的形式發(fā)表了題目為“Hydrogen-bonding integrated low-dimensional flexible electronics beyond the limitations of van der Waals contacts”的研究論文。該工作創(chuàng)新性地引入非共價(jià)氫鍵相互作用來(lái)克服固有范德華間隙導(dǎo)致的高接觸電阻，為實(shí)現(xiàn)超越范德華接觸限制的高性能、低功耗柔性電子器件提供了一種可擴(kuò)展的解決方案。

氫鍵接觸的概念圖

實(shí)現(xiàn)低接觸電阻是開發(fā)高性能電子器件的基本前提，但在低維半導(dǎo)體領(lǐng)域，這仍然是一項(xiàng)艱巨的挑戰(zhàn)。實(shí)現(xiàn)低接觸電阻的挑戰(zhàn)之一是要求金屬和半導(dǎo)體的能帶對(duì)齊以及具有無(wú)費(fèi)米能級(jí)釘扎的接觸界面，從而最大限度地減少肖特基勢(shì)壘。通過非共價(jià)范德華力而不是共價(jià)鍵將金屬與低維半導(dǎo)體鍵合，可形成清潔無(wú)損的原子界面，從而實(shí)現(xiàn)肖特基勢(shì)壘的定制以逼近肖特基-莫特極限。然而，由于受到額外的隧道勢(shì)壘和固有范德華間隙導(dǎo)致的電子態(tài)弱耦合的限制，實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)具有超低接觸電阻的范德華接觸仍然罕見。這一限制引發(fā)了接觸技術(shù)的革命，半金屬（例如鉍Bi和銻Sb）接觸就是代表。然而，半金屬接觸受到沉積溫度高和功函數(shù)范圍窄的限制。對(duì)于柔性電子學(xué)領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，情況變得更加糟糕，因?yàn)樵擃I(lǐng)域需要全面考慮柔性制造工藝和材料的兼容性，以及機(jī)械性能和電氣性能之間的權(quán)衡。無(wú)論是柔性電子器件還是剛性電子器件，都亟需開發(fā)一種更通用的方法來(lái)從根本上克服范德華集成的局限性。

氫鍵接觸的理論計(jì)算

著手調(diào)節(jié)金屬與半導(dǎo)體接觸間的基本相互作用是克服高接觸電阻的本質(zhì)途徑。這項(xiàng)研究通過第一性原理計(jì)算揭示了相比范德華力，氫鍵可顯著增強(qiáng)電子的隧道效應(yīng)且未引入金屬誘導(dǎo)的間隙態(tài)，有望實(shí)現(xiàn)逼近量子極限的接觸電阻，從而為保持清潔接觸界面的同時(shí)克服范德華集成的限制提供了一個(gè)通用途徑。通過利用低溫全溶液方法，作者在表面工程化的MXene/碳納米管金半異質(zhì)結(jié)中首次實(shí)現(xiàn)了π-氫鍵接觸，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了高性能柔性薄膜晶體管。該工作通過變溫FTIR及電學(xué)測(cè)量等聯(lián)合表征了金半接觸中氫鍵存在的證據(jù)，并闡明了溫度負(fù)依賴的隧穿電阻這一反常現(xiàn)象的基本物理機(jī)制，最終實(shí)現(xiàn)氫鍵接觸電阻值比對(duì)應(yīng)范德華接觸低一個(gè)數(shù)量級(jí)。氫鍵集成的晶體管不僅具有超高的柔韌性，在彎曲半徑低至1.5mm的情況下可承受十萬(wàn)次以上的彎曲，而且載流子遷移率也比對(duì)應(yīng)的范德華晶體管高一個(gè)數(shù)量級(jí)，為實(shí)現(xiàn)超越范德華接觸限制的高性能、低功耗柔性電子器件提供了一種可擴(kuò)展的解決方案。

氫鍵晶體管的電學(xué)表征

該工作由信息工程學(xué)院師生獨(dú)立完成，博士生劉德行為論文的第一作者，碩士生劉子一為論文共同第一作者，張敏為論文通訊作者。張盛東以及碩士生高新宇、朱家豪、王子凡、邱睿、任沁琦和張藝明等為共同作者。上述研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、深圳市科技創(chuàng)新委員會(huì)基礎(chǔ)研究項(xiàng)目以及深圳超算中心的支持。（來(lái)源： 北京大學(xué)）