文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.4c07585?ref=recommended
亮点：
1.拓扑范德华接触的引入：使用无损的Sb₂Te₃拓扑范德华接触，实现了超低肖特基势垒和接触电阻，显著改善了二维材料器件的电性能。
2.拓扑表面态的作用：拓扑表面态有效缓解了MIGS效应，增强了器件的电导和光电响应。
3.高光响应度与快速响应时间：实验实现了716 A/W的光响应度和约60 μs的响应时间，展示出在光电子应用中的广阔前景。
摘要
互补金属氧化物半导体技术的不断微缩化在二维（2D）材料与金属电极的界面上带来了诸多挑战，主要来源于金属诱导的间隙态（MIGS）和肖特基势垒高度（SBH），这极大地阻碍了器件性能。本文引入了一种创新的无损Sb₂Te₃拓扑范德华（T-vdW）接触，作为二维材料的终极接触电极。我们成功地利用单层和多层WSe₂制造了p型和n型晶体管，达到了超低的肖特基势垒（约24 meV）和接触电阻（约0.71 kΩ·μm）。模拟结果显示，Sb₂Te₃的拓扑表面态有效缓解了MIGS效应，显著提升了器件效率。实验揭示了Sb₂Te₃ T-vdW接触的准欧姆行为，展现出高达716 A/W的光响应度和约60 μs的快速响应时间。本研究表明，拓扑接触是一种优于传统金属接触的选择，有望革新微缩化电子和光电子器件的性能。
研究背景和主要内容
随着对低功耗、高性能小型半导体器件的需求不断增长，人们对具有显著电子和物理特性（甚至纳米级）的超薄二维（2D）材料（2DM）的兴趣激增。尽管基于 2DM 的半导体器件已经取得了重大进展，但在纳米级尺寸上实现 2DM 与金属电极之间的最佳接触仍然是一项艰巨的挑战，涉及物理学、材料科学和电子学领域。复杂的物理现象，特别是肖特基势垒高度（SBH）和费米能级钉扎（FLP），加剧了这一挑战。此外，破坏性杂质和晶格缺陷进一步使这种微妙的平衡复杂化，严重影响2DM的极性和接触电阻（RC），从而给工业应用带来障碍。在这个错综复杂的环境中，人们做出了许多努力来提高 2DM 电极接触的质量。根据电极材料的性质，这些方法大致分为两种：(1) 金属接触和 (2) 半金属接触。金属接触方法侧重于改善金属-2D 材料界面，以及采用范德华 (vdW) 金属接触（通过接触转移或缓冲层沉积）等不同技术，接触区域掺杂，优化接触几何形状，并整合隧道屏障已经使用过这种方法。这些方法已成功降低了金属-半导体界面处的 SBH 和RC。然而，金属接触具有固有的局限性。金属诱导间隙态 (MIGS) 是由金属费米能级附近的高态密度 (DOS) 引起的，可导致 FLP，影响器件极性并阻碍RC 的进一步降低。第二种方法是采用 Bi、Sb、In 和 Sn 等材料的半金属接触。这些材料由于其固有特性，可以减轻 MIGS 效应。然而，与金属相比，它们通常表现出更高的电阻、高氧化敏感性、低热稳定性，并且作为独立电极不太理想。此外，具有低功函数的传统半金属对肖特基空穴势垒的影响很小，限制了它们在增强 p 型晶体管性能方面的有效性。
这里，我们介绍了一种使用 Sb2Te3的拓扑范德华 (T-vdW) 接触，适用于 p 型和 n 型二维过渡金属二硫属化物 (TMD)。Sb2Te3是一种二维拓扑绝缘体材料，具有独特的性质，包括其表面上的拓扑表面态 (TSS) 和其功函数附近的低 DOS。值得注意的是，Sb2Te3的范德华连接表现出无缺陷的表面性质，使得能够与其他 2D TMD 形成尖锐的范德华界面并诱导最终的范德华接触。我们通过将拓扑绝缘体 Sb2Te3与单层 WSe2
（p 型）和多层 WSe2（n 型）堆叠来制造场效应晶体管（FET）。与传统的金属 Au 接触相比，我们的 Sb2Te3 T-vdW 接触的 SBH 大约降低了 4.7 倍，RC降低了 4 倍，这主要是由于没有 MIGS 效应并且 Sb2Te3 T-vdW 与 2D 半导体界面处的 DOS 较低。此外，为了证实 SBH 和R C的降低，我们研究了具有 Sb2Te3 T-vdW 接触的 TMD 的光电特性。利用 Sb2Te3 T-vdW 接触，我们实现了性能的显著提升，与使用 Au 接触的接触相比，光响应度提高了 267%，探测率提高了 153%。这些结果有力地证明了 Sb2Te3 T-vdW 接触在使用非金属电极材料定制各种 2DM 接触特性方面的潜力，为未来电子器件中基于小尺寸异质结构的 vdW 材料提供了创新的解决方案。
Sb2Te3 T-vdW 接触中的 vdW 界面
为了全面研究Sb2Te3作为接触电极与 2DM之间的相互作用，我们选择了双极性 WSe2，它在单层中表现出 p 型行为，在多层中表现出 n 型行为。在我们的实验中，使用原子剥落法将单层 WSe2薄片剥离并转移到 290 nm SiO2 /Si 基底上（详见方法部分、图1a 和图 S1）。为了在 Sb2Te3和 WSe2之间建立 T-vdW 接触，我们准备了 Sb2Te3薄片，然后使用传统的干转移法将它们转移到目标区域。图1b显示了Sb
2Te3/WSe2 /Au 器件的光学显微镜 (OM) 图像。图 S2 和 S3提供了进一步的结构和原子力显微镜 (AFM) 分析，包括拉曼和光致发光 (PL) 光谱，表明剥离的 WSe2和 Sb2Te3薄片具有很高的质量。
图 1. T-vdW 与 2D WSe2接触的结构。 (a) 制备结构示意图以及 Sb2Te3/WSe2和 Au/WSe2界面区域的能带结构。 (b) 单层 WSe2与 Au（#1 和 #2）和 Sb2Te3（#3 和 #4）接触的光学显微镜图像（比例尺，10 μm）。 (c) Sb2Te3/WSe2/SiO2结构的横截面 HR-TEM 图像，显示 Sb2Te3与单层 WSe2之间的干净界面（红色虚线表示单层 WSe2的边界）（比例尺，50 nm）。
如前所述，与金属接触相关的一个重大挑战是实现足够清洁的界面。将金属接触直接沉积到 2DM 上通常会导致金属-2DM 界面出现大量损坏、杂质和缺陷，从而形成直接连接，从而排除了范德华接触的可能性。在我们的研究中，我们通过采用 Sb2Te3与 WSe2的简易范德华堆叠（如方法部分所述）解决了这些问题。这种方法产生了一个没有杂质和缺陷的界面（如图 1 c 和图 S4 和 S5所示）。
T-vdW 接触中的协同 SBH 还原和双载流子传输
为了研究 Sb2
Te3 T-vdW 接触对 n 型和 p 型 2DM的功效，我们通过将单层和多层 WSe2与 Sb2Te3和 Au 接触集成，制备了四种不同类型的 FET。在使用 Sb2Te3作为接触之前，我们研究了多层 Sb2Te3薄片的电学和光学特性。我们的分析证实了电导率对栅极的弱依赖性、与 Au 的欧姆接触以及缺乏光响应性，这些都是评估潜在电极材料的关键因素（图 S6）。
图 2a、b 显示了具有 Sb2Te3接触的单层和多层WSe2的转移曲线（分别用橙色和蓝色表示）。Sb2Te3 上的 TSS及其与WSe2的范德华结减轻了不利的界面效应，有利于单层 WSe2 中的 p 型行为和多层WSe2中的 n 型行为。另一方面，使用金沉积接触会导致界面处出现 MIGS，并且由于金接触的电荷转移而导致界面掺杂。这导致费米能级更靠近导带 (CB)，从而导致单层和多层 WSe2 晶体管均呈现 n 型行为。对于 SBH（ φSBH ）的定量分析，我们应用了阿伦尼乌斯关系：
其中I D是源漏电流，q是基本电荷，k B是玻尔兹曼常数，T是绝对温度，C是常数。通过分析温度变化的传输特性来估算 SBH（图 S7a ）。阿伦尼乌斯图中 (− q / k B T ) 和 ln ( I D /
T 3/2 )之间的拟合线的斜率是不同背栅电压下的φ SBH （图2c 插图）。Sb2Te3和 WSe2之间的 SBH 达到了 24 meV 的值，表明形成了 WSe2的最终 vdW 接触（图2c）。图 2 d、e 展示了单层和多层 WSe2的 Au 接触传输曲线，其中 FLP 和 MIGS 尤为突出并影响器件的极性，证实了先前的研究。我们还发现 Au 接触的 φSBH为 113 meV（图 2f和图 S7b的插图），与 Sb2Te3 T-vdW接触相比，其 SBH 高 4.7 倍，这对于在单层 WSe2晶体管中观察到的极性转变至关重要。为了更全面地研究 Sb2Te3 T-vdW 接触与其他半金属和 vdW 接触，我们还研究了 Au vdW 接触（参见方法部分和图 S8）和 Gr vdW 接触（图 S9）。结果清楚地证明了使用 T-vdW 接触的有效性，因为它显著增加了导通电流和迁移率（图 S8 和 S9）。此外，为了评估 T-vdW 接触对其他 TMD 材料的可扩展性，还使用了单层 MoSe2。正如预期的那样，结果显示器件性能和迁移率显著提高（图 S10）。
图 2. 具有 T-vdW 和 Au 直接接触的 WSe2 FET 的转移特性和 SBH。(a) 单层和 (b) 多层 WSe2与 Sb2Te3接触的转移曲线（插图显示线性传输曲线图。）橙色和蓝色图分别代表单层和多层 WSe2。 (c) Sb2Te3 /WSe 2接触的 SBH 与栅极电压的关系（插图显示了在不同背栅电压下获得的结果的阿伦尼乌斯图）。(d) 单层和 (e) 多层 WSe2与 Au 接触的转移曲线（插图显示线性传输曲线图。）橙色和蓝色图分别代表单层和多层 WSe2。 (f) Au/WSe2
接触的 SBH与栅极电压的关系（插图显示了在不同背栅电压下获得的结果的阿伦尼乌斯图。）
最后，我们评估了RC，它对器件性能有至关重要的影响。具有 Sb2Te3 T-vdW 和直接 Au 接触的器件分别表现出 0.71 和 3.35 kΩ·μm 的RC值（图 S11 ），强调使用 Sb2Te3 T-vdW 可将RC降低 4 倍，从而可能增强 Sb2Te3界面处的载流子迁移率并提高整体器件性能。
密度泛函理论洞察 Sb2Te3 T-vdW 接触
密度泛函理论 (DFT) 计算为拓扑接触的含义提供了重要的见解。对 Sb2Te3和单层 WSe2的独立三层五重层 (QL) 的分析（图 S12）显示，带隙分别为 0.24 和 1.64 eV，与之前的报告一致。进一步研究了 Au/WSe2和 Sb2Te3/WSe2界面区域的异质层间耦合，发现在与 Au 直接接触的WSe2的中带隙区域内出现了 MIGS （图 3a）。对 Au/WSe2结点上电子电荷分布的分析（图 3b）表明，Au 侧为耗尽，而 WSe2侧为累积，这与之前Au/WSe2 FET 的I – V曲线测量中观察到的 n 型行为一致。这种不平衡由黄色和青色区域表示，分别表示电荷累积和耗尽，可能会引发阈值电压偏移和电荷捕获。图3c 描绘了费米能级设置为零时的绝对能带能量，显示由于 Au 诱导的能带增宽，带隙从独立的 WSe2的能带（1.64 eV）减小到 1.49 eV。计算得出 Au/WSe2界面上电子和空穴的垂直肖特基势垒分别分别为 0.67 和 0.82 eV，与 FET 的 n 型行为一致。
图 3. WSe2与 Au 直接接触和 Sb2Te3 T-vdW 接触的 DFT 结果。 (a, d) W、Se、Sb、Te 和 Au 的投影态密度 (PDOS) 以及 (a) Au/WSe2和 (d) Sb2Te3/WSe2结构界面处的能带图。 (b, e) (b) Au/WSe2和 (e) Sb2Te3/WSe2结构界面的电荷密度差异。插图中原子周围的彩色表面分别代表Au/WSe2和 Sb2Te3 /WSe2的电荷密度差值分别为 0.03 和 0.003 e Å –3的等值面。黄色和青色区域分别表示电荷积累和耗尽。 (c , f) (c) Au 直接接触和 (f) Sb2Te3 T-vdW接触的计算能带结构。费米能量设为零。
相反，Sb2Te3和 WSe2之间的范德华接触表现出较少的 MIGS，表明与直接金接触相比，无悬挂键界面具有更少的晶格匹配或轨道重叠约束（图3d 和插图）。范德华接触导致轨道杂化减弱（图 S13c,i），并显着减少跨 Sb2Te3 /WSe2界面的电子电荷交换，如图 3d中电子电荷差异幅度大约小 10 倍所示。计算出的电子和空穴的垂直肖特基势垒分别为 1.12 和 0.36 eV，与 Sb2Te3 /WSe2 FET 测量中观察到的 p 型行为一致。在之前的研究中，在 WSe2和 Au之间的范德华接触中观察到了类似的 p 型行为，但电荷密度差异和轨道杂化的波动较大（图 S13d-f），强调了利用 T-vdW 材料作为接触的优势。
Sb2Te3 T-vdW 接触的显微镜检查
我们采用扫描光电流显微镜 (SPCM) 和开尔文探针力显微镜 (KPFM) 在微观尺度上研究了 Sb2Te3 T-vdW 接触，以阐明 Sb2Te3 /WSe2 /Au 器件的空间分辨光响应，特别是在接触区域 (图 4a )。图4b中的 OM 图像定义了目标 SPCM 分析区域。
图4. Sb2Te3/WSe2/Au 结构的局部微观 SPCM 和 KPFM 分析。 (a) Sb2Te3/WSe2 /Au 器件上的 SPCM 和 KPFM 测量示意图。 (b)图 5f中绘制的 SPCM 区域（比例尺，10 μm）的 OM 图像和光电流的接近线。使用连续激光（λ = 532 nm）在 (c) V sd = 0、(d) V sd = −0.1 和 (e) V sd = +0.1 V时 Sb2Te3/WSe2 /Au 结构的 SPCM 图像。 （f）图5b显示了不同偏置电压下沿趋近线的光电流（最大光电流位置保持不变。）（g）Sb2Te3/WSe2 /Au 结构的 AFM 和 KPFM 轮廓图像（比例尺，10 μm）和图 5h中绘制的表面电位趋近线。（h）Sb2Te3/WSe2和Au/WSe2结构的表面电位结果。
图 4 c-e描绘了不同Vsd值（0 和 ±0.1 V）下的 SPCM 曲线。当V sd = 0 时，由于能带弯曲引起的光热电和光伏响应，触点附近的光电流达到最大值。Sb2Te3/WSe2界面区域的光电流超过了 Au/WSe2的，这可能是由于Sb2Te3 T-vdW 触点中的 SBH、 R C和 FLP 效应减弱所致（Sb2Te3/WSe2为 20 nA，而 Au/WSe2为 −5 nA）。施加V sd = ±0.1 V的偏置电压会在 WSe2沟道中产生电场，从而促进电荷载流子的传输。这导致光电流增加，如图4 d、e 所示。值得注意的是，将Sb2Te3/WSe2界面区域V sd = +0.1 V时的光电流 63 nA与Au/WSe2区域V sd = −0.1 V时的光电流 −39 nA进行比较，表明 Sb2Te3 T-vdW 接触中载流子参与电导的速率增加了 1.6 倍。此外，如图4c所示（Sb2Te3接触为 3.3 μm ，Au 接触为 1.7 μm），光电流沿 WSe2沟道长度的分布表明了 Sb2Te3 T-vdW 接触的半欧姆行为。图4f 显示了沿图4b所示接近线在不同V sd值下的光电流，表明 Sb2Te3 /WSe2界面区域的光电流超过了Au/WSe2的光电流。此外，Sb2Te3/WSe2/Sb2Te3结构的 SPCM 结果显示，Sb2Te3 T-vdW 接触表现出半欧姆行为（图 S14
