突破低温壁垒！科学家在单层WSe2中揭示量子新奇迹！

【科学背景】

随着二维半导体研究的深入，过渡金属硫化物（TMDs）因其独特的光电特性和材料纯净度而引起了广泛关注。TMDs作为一种重要的范德华半导体材料，具有在低温和低载流子密度下表现出丰富的量子多体基态的潜力。然而，实现这些潜力的关键在于制作在低温和低载流子密度下仍能保持透明的低电阻欧姆接触，这一直是一个重大挑战。

制作单层TMDs电接触的主要问题在于肖特基势垒的形成和费米能级钉扎现象。工作函数调谐金属可以帮助降低肖特基势垒高度，而在接触区域掺杂半导体可以用于减少势垒宽度。然而，通常用于实现对厚半导体透明电接触的技术，如离子注入和扩散金属接触，不能应用于单层TMDs，因为它们的原子薄结构。尽管转移金属、范德华材料和半金属等接触材料已经被应用于TMDs，但这些技术在低温和低载流子密度下的高性能接触仍然难以实现。

为了解决这些问题，美国哥伦比亚大学（Columbia University）Cory R. Dean教授的研究团队采用了一种新型接触方案，利用范德华电子受体α-RuCl3，实现对单层WSe2的高透明p型接触。作者将α-RuCl3与WSe2的一侧接口，以在接触区域引入大量空穴掺杂，而在另一侧使用几层石墨形成金属接触。通过机械组装将电荷转移和接触层引入二维半导体，使作者能够在一个全范德华异质结构中实现完全接触和封装的二维半导体。

本研究解决了在低温和低载流子密度下实现高性能电接触的难题。通过电荷转移接触方案，作者测得了创纪录的空穴迁移率和极低的通道载流子密度，使得作者能够研究在低载流子密度和强磁场下的量子输运特性。在这些条件下，作者观察到了维格纳晶体预期形成的密度下的金属-绝缘体相变（MIT），以及单层WSe2中分数量子霍尔效应（FQHE）的电输运特征。

此外，范德华组装的设计灵活性使得电荷转移结构可以应用于依赖二维半导体电输运的各种器件，包括那些设计在室温下运行的器件。通过改进器件组装和接触界面的掺杂剖面设计，可以进一步提高接触性能。新型范德华电荷转移材料的识别可以为工程化的稳健n型和p型接触提供平台，其电阻有望接近或优于少层TMDs中报告的最低值。本研究为未来的器件在理解和利用TMD异质结构中的各种相关基态方面提供了新的可能性。

【科学亮点】

1. 实验首次采用电荷转移层实现了单层WSe2的高度透明p型接触，成功测得了创纪录的80,000 cm² V⁻¹ s⁻¹的空穴迁移率，并在低至1.6 × 10¹¹ cm⁻²的通道载流子密度下进行了测量。

2. 实验通过将α-RuCl3与WSe2接口，引入大量空穴掺杂，同时在另一侧使用几层石墨形成金属接触，实现了完全接触和封装的二维半导体，确保了高性能接触在低密度下的表现：

• 在低温和高磁场条件下，首次观察到密度低至1.6 × 10¹¹ cm⁻²时的金属-绝缘体相变（MIT），该密度下预期维格纳晶体形成。

• 在强磁场下，首次在单层WSe2中观察到分数量子霍尔效应（FQHE）的电输运特征。

• 通过范德华组装的设计灵活性，电荷转移结构能够应用于各种二维半导体器件，包括在室温下运行的器件。

3. 该实验的成功展示了高纯度单层WSe2在低载流子密度和高磁场下的优异量子输运特性，指出了未来可以通过改进器件组装和掺杂剖面设计进一步提升接触性能的方向：

• 新型范德华电荷转移材料的识别，有望为稳健的n型和p型接触提供平台，电阻可能接近或优于目前报告的最低值。

• 新接触方案的实现，为理解和操控TMD异质结构中出现的各种相关基态的输运特性提供了新的机会。

【科学图文】

图1：电荷转移接触结构。

图2：低密度硒化钨WSe2的输运性质。

图3： 低密度金属－绝缘体转变metal–insulator transition，MIT。

图4：观察分数量子霍尔效应。

【科学启迪】

本研究开创性地展示了通过电荷转移接触实现高性能电输运特性的可能性。这一创新方法为二维半导体器件的设计和应用提供了新的思路。通过引入α-RuCl3作为电子受体，作者成功在单层WSe2中实现了高透明p型接触，显著提高了空穴迁移率，并能在极低的载流子密度下进行测量。这一技术突破使得在低温和高磁场下研究二维半导体的量子现象成为可能，尤其是在观察低温金属-绝缘体相变和分数量子霍尔效应方面，提供了新的实验平台。

范德华组装的设计灵活性也表明，这种电荷转移结构可以广泛应用于各种依赖二维半导体电输运的器件中，包括那些在室温下运行的设备。未来，通过优化器件组装和接触界面的掺杂剖面设计，电接触性能有望进一步提升。此外，识别和引入新型范德华电荷转移材料，将有助于开发出更加稳健的n型和p型接触，可能接近或超越目前少层TMDs中最低电阻值。这些技术进展不仅推动了基础物理研究的发展，还为下一代高性能电子器件的设计和制造奠定了基础，有望在未来的量子计算和高效电子器件领域产生深远影响。

原文详情：Pack, J., Guo, Y., Liu, Z. et al. Charge-transfer contacts for the measurement of correlated states in high-mobility WSe2. Nat. Nanotechnol. (2024). https://doi.org/10.1038/s41565-024-01702-5