近日，深圳研究生院信息工程學院張盛東教授課題組在國際著名期刊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(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展的解決方案。

氫鍵接觸的概念圖

實現(xiàn)低接觸電阻是開發(fā)高性能電子器件的基本前提，但在低維半導體領域，這仍然是一項艱巨的挑戰(zhàn)。實現(xiàn)低接觸電阻的挑戰(zhàn)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(xiàn)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(tài)弱耦合的限制，實驗上實現(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。對于柔性電子學領域來說，情況變得更加糟糕，因為該領域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。無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從根本上克服范德華集成的局限性。

氫鍵接觸的理論計算

著手調(diào)節(jié)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(zhì)途徑。這項研究通過第一性原理計算揭示了相比范德華力，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(tài)，有望實現(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，作者在表面工程化的MXene/碳納米管金半異質(zhì)結中首次實現(xiàn)了π-氫鍵接觸，并在此基礎上實現(xiàn)了高性能柔性薄膜晶體管。該工作通過變溫FTIR及電學測量等聯(lián)合表征了金半接觸中氫鍵存在的證據(jù)，并闡明了溫度負依賴的隧穿電阻這一反?，F(xiàn)象的基本物理機制，最終實現(xiàn)氫鍵接觸電阻值比對應范德華接觸低一個數(shù)量級。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(shù)量級，為實現(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展的解決方案。

氫鍵晶體管的電學表征

該工作由信息工程學院師生獨立完成，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。上述研究得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金面上項目、深圳市科技創(chuàng)新委員會基礎研究項目以及深圳超算中心的支持。（來源： 北京大學）