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她，是我们今天要介绍的主人公—— 90后工科女孩王琰！

2009年，她考入江南大学微电子科学与工程专业就读。

功夫不负有心人，2013年，她考研成功，顺利进入北京大学深造！先后获得2013-2014年北京大学五四奖学金，2014-2015年北京大学学术创新特别奖和北京大学国家奖学金，2016年毕业时，斩获北京市优秀研究生荣誉称号！研究生期间，以第一作者身份发表两篇文章（Nanotechnology, 27, 175201, 2016；Semiconductor Science and Technology. 30, 054004, 2015），第二篇文章被评为“2015年半导体科技亮点之一 ”。

在北京大学深圳研究生院读研期间，王琰在导师周航的引荐下认识了Manish Chhowalla。当时他是美国罗格斯大学材料科学与工程系教授。2016年硕士毕业后，王琰前往美国，跟随Manish Chhowalla攻读博士学位。

人生哪有事事顺遂，但处世遇事的态度往往决定了你人生的高度。

按照正常的学习计划，王琰应该在2019年左右拿到博士学位。然而计划赶不上变化。

2018年，Manish Chhowalla收到了母校剑桥大学的邀约，决定前往剑桥大学组建新的实验室，继续开展二维过渡金属二卤化物（TMDs）研究。

此时，王琰也面临着抉择——留在美国换导师，还是跟随导师去英国。最终，在2018年9月，王琰与另一个博士后追随Manish Chhowalla一起来到了剑桥大学。由于罗格斯大学的学分无法带到剑桥大学，王琰不得不回到起点，按照剑桥大学的要求重新读博。进入剑桥大学一年后，她便发表了人生的第一篇《Nature》!

要想做真正的科研，就得耐得住性子不浮躁！经得起时间推敲与沉淀的必是精品！时隔3年终再发《Nature》!这两篇Nature论文都是围绕相同材料展开的研究。3年前，王琰的研究对象是N型接触电极，3年后则是P型接触电极，两者相辅相成，也具有上具有一定的延续性。

今日，王琰以一作兼通讯的身份在《Nature Electronics》以题为“Critical challenges in the development of electronics based on two-dimensional transition metal dichalcogenides”发表了他们最新的研究成果！基于二维 (2D) 过渡金属二硫族化物半导体的高性能电子器件的开发最近已从一次性原理验证演示发展到更具可重复性的集成器件。特别是，它已经达到了必须优化材料质量以及金属触点、电介质和二维半导体之间的界面以提高器件性能的地步。鉴于此，王琰研究了基于二维过渡金属二硫属化物的电子产品开发面临的关键直接挑战，并将掺杂、p 型接触和高介电常数电介质确定为关键问题。他们认为这些挑战源于二维过渡金属二硫属化物中存在的高密度缺陷，并建议业界更多地关注具有低缺陷浓度的高质量材料的生长。最后还提供有关识别这些 2D 器件的行业兼容电介质的建议。

【晶圆级但有缺陷】

基于二维过渡金属二卤化物（2D TMDs）的电子器件的开发正受到越来越多的关注，但晶圆级合成却面临着挑战。通过化学气相传输(CVT)高温合成块状晶体和通过化学气相沉积(CVD)高温合成单层TMD时，由于过渡金属和查尔金的熔化温度不同，往往会产生查尔金空位。这些缺陷可以通过高分辨率扫描透射电子显微镜（STEM）观察到，STEM可以显示生长前驱体中的各类空位和置换原子。点缺陷在TMD中的存在可通过微分电导（dI/dV）光谱和扫描隧道光谱（STS）得到证实。

TMD的质量通常通过场效应晶体管(FET)迁移率来评估，根据合成方法的不同，其质量差异很大。迁移率值范围为10至200 cm²/Vs，但这些值通常受到缺陷引起的散射的限制。通过两步助焊剂工艺等方法实现的低缺陷密度TMD可以达到超过1000 cm²/Vs的室温迁移率和50000 cm²/Vs的低温值。这强调了关注减少生长过程中的缺陷浓度以增强电子器件性能的重要性。

量化晶圆级样品的原子缺陷仍然具有挑战性。STM和STEM提供了对小区域的洞察，而传导原子力显微镜(CAFM)则提供了大面积表征的途径。稀替代掺杂和CAFM的最新进展表明，如果晶圆级样品中的缺陷浓度可以降低至10¹⁰cm²左右，则改进掺杂策略的潜力。然而，CVD生长的2D TMD 中仍然存在大量空位和晶界，因此需要不断努力提高材料质量。

图 1. 二维 TMD 的缺陷。

【掺杂2D TMD半导体】

掺杂 2D TMD来调节载流子浓度至关重要但具有挑战性。由于二维结构的脆弱性，传统方法（例如生长过程中的替代掺杂或生长后注入）充满了困难。表面电荷转移掺杂已显示出前景，各种化学物质都表现出电子或空穴掺杂效应。然而，这些掺杂剂常常具有化学反应性或热不稳定性。局部静电偶极子掺杂提出了一种替代方法，使用亚化学计量氧化物在TMD中实现显着的电子或空穴掺杂。例如，WSe₂的天然氧化物可以对WSe₂FET进行空穴掺杂，而MoS₂上的SiOx、AlOx、TaOx和HfOx则可以实现电子掺杂。尽管具有潜力，但这种掺杂方法的机制和稳定性需要进一步研究。

除了电气测量之外，还建议使用拉曼光谱和X射线光电子能谱(XPS)等补充技术来准确评估掺杂水平。这些方法提供了对载流子浓度变化和与掺杂相关的化学位移的深入了解。

【半导体/金属触点】

在2D TMD半导体和金属之间形成低电阻、稳定的接触是一个重大挑战。TMD中的高密度缺陷，尤其是硫族空位，通过引入界面态和无意的掺杂而使接触形成变得复杂。有效的接触工程策略对于提高器件性能至关重要。

范德华(vdW)接触可以最大限度地减少金属和TMD之间的化学相互作用，已成为一种有前景的解决方案。这些接触可以降低肖特基势垒高度并提高接触电阻。然而，由于材料质量和界面条件的变化，实现可靠且可重复的vdW接触仍然具有挑战性。

图 2. 二维 TMD 的电触点

【2D TMD半导体/介电界面】

2D TMD半导体和电介质之间的界面在器件性能中起着至关重要的作用。高硫族空位浓度导致与电介质中的电荷发生强烈相互作用，引入界面态和无意的掺杂。这会影响器件特性，包括阈值电压变化和迁移率。缓解这些问题的钝化技术包括用六方氮化硼(hBN)等高质量电介质封装TMD。这种方法通过减少TMD和电介质之间的相互作用，显着提高了迁移率。然而，在大面积区域实现一致的钝化仍然是一个挑战。

图 3. 二维 TMD 的氧化电介质

【展望】

基于 2D TMD的电子产品的未来取决于克服材料质量、掺杂和界面工程方面的关键挑战。重点发展低缺陷浓度的高质量材料、开发可靠的掺杂策略以及优化半导体/金属和半导体/电介质界面至关重要。CAFM 和拉曼光谱等表征技术的进步将通过提供对材料特性和器件性能的详细见解来帮助实现这些目标。

总之，虽然基于 2D TMD的电子器件的开发取得了实质性进展，但解决高密度缺陷和优化接口对于实现更广泛的实用价值仍然至关重要。研究和工业界的合作对于充分发挥这些材料在电子应用中的潜力至关重要。

来源：高分子科学前沿

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江南→北大→剑桥，一作连发2篇Nature之后，90后工科女孩，再次以一作+通讯，发Nature Electronics！