近日，北京大學深圳研究生院信息工程學院教授張盛東團隊在《先進材料》發表最新研究。研究人員創新性地引入非共價氫鍵相互作用來克服固有范德華間隙導致的高接觸電阻，為實現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展的解決方案。
實現低接觸電阻是開發高性能電子器件的基本前提，但在低維半導體領域，仍是一項艱巨的挑戰。實現低接觸電阻的挑戰之一，是要求金屬和半導體的能帶對齊以及具有無費米能級釘扎的接觸界面，從而最大限度地減少肖特基勢壘。通過非共價范德華力而不是共價鍵將金屬與低維半導體鍵合，可形成清潔無損的原子界面，從而實現肖特基勢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壘和固有范德華間隙導致的電子態弱耦合的限制，在實驗上實現具有超低接觸電阻的范德華接觸仍然罕見。
對于柔性電子學領域來說，需要全面考慮柔性制造工藝和材料的兼容性，以及機械性能和電氣性能之間的權衡。因此，無論是柔性電子器件還是剛性電子器件，都亟需開發一種更通用的方法來從根本上克服范德華集成的局限性。
調節金屬與半導體接觸間的基本相互作用是克服高接觸電阻的本質途徑。該研究中，科研人員通過第一性原理計算發現，相比范德華力，氫鍵可顯著增強電子的隧道效應且未引入金屬誘導的間隙態，有望實現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克服范德華集成的限制提供了一個通用途徑。
通過利用低溫全溶液方法，研究人員在表面工程化的MXene/碳納米管金半異質結中實現了π-氫鍵接觸，并在此基礎上實現了高性能柔性薄膜晶體管。該研究通過變溫FTIR及電學測量等聯合表征了金半接觸中氫鍵存在的證據，并闡明了溫度負依賴的隧穿電阻這一反常現象的基本物理機制，最終實現氫鍵接觸電阻值比對應范德華接觸低一個數量級。
據介紹，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1.5毫米的情況下可承受十萬次以上的彎曲，而且載流子遷移率也比對應的范德華晶體管高一個數量級，為實現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展的解決方案。
相關論文信息：https://doi.org/10.1002/adma.202404626
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