科学家研发MgNb2O6增强二维材料FET稳定性！

【研究背景】

随着二维半导体技术的发展，基于二维材料的集成电路逐渐成为研究热点。这些材料具有良好的电学特性和柔性，但在制造高性能场效应晶体管（FET）时，超薄的栅绝缘层至关重要。现有的二维绝缘材料在带隙、击穿强度、介电常数、漏电流和偏置温度稳定性等方面并未能达到良好的平衡，造成了电气性能的不足，限制了器件的实际应用。

为了解决这一挑战，哈尔滨工业大学（深圳）秦敬凯和徐成彦团队联合香港理工大学柴扬和复旦大学王竞立团队开始关注镁铌氧石（MgNb2O6）作为潜在的介电材料。MgNb2O6具有宽带隙（约5.0 eV）、高介电常数（约20）和良好的热稳定性，适合用于二维材料的栅介电层。通过缓冲控制的外延生长工艺，科学家们成功合成了原子级薄的MgNb2O6单晶，并将其与单层二硫化钼（MoS2）集成。这一组合在低电压下展现出优秀的电气性能，如滞后小于0.9 mV (MV cm−1) 和亚阈值摆幅为62 mV dec−1，同时在高温下也保持良好的可靠性。

这些研究结果表明，MgNb2O6作为栅介电材料，不仅改善了FET的电气性能，还为未来基于二维材料的电子器件提供了新的可能性，推动了超薄晶体材料在集成电路中的应用进程。

【表征解读】

本文通过高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）和X射线衍射（XRD）等表征手段，揭示了镁铌氧石（MgNb2O6）单晶的优异结构和电气性能。通过HRTEM的观察，发现MgNb2O6单晶具有原子级平坦的表面，这一特性与其高介电常数和小漏电流密切相关，表明该材料能够有效减少电荷陷阱，提升电气性能。此外，XRD结果表明，MgNb2O6晶体的优良结晶性与其高击穿强度（约16 MV cm−1）有直接关系，这使其在高电压应用中展现出良好的可靠性。

针对MgNb2O6在与单层二硫化钼（MoS2）界面形成的极低缺陷态密度的现象，本文进一步通过原子力显微镜（AFM）和拉曼光谱进行微观机理的表征。AFM结果显示，MgNb2O6与MoS2之间的范德瓦尔斯界面极为平滑，进而减少了电荷散射和陷阱状态的产生，促进了载流子在FET中的迁移，显示出电流开关比高达4 × 107。拉曼光谱的分析则揭示了MgNb2O6的晶体质量与MoS2的电气性能之间的关联，为理解其在低功耗器件中的应用提供了理论依据。

在此基础上，通过结合电流-电压特性测试和高温电气可靠性测试，本文进一步探讨了MgNb2O6作为栅介电材料在高温（500 K）下的表现。测试结果表明，该材料在极端条件下仍能保持良好的操作稳定性，指向其在未来集成电路应用中的潜力。

这些表征手段和发现启发了对超薄介电材料的深入研究，尤其是在二维半导体器件中的应用潜力。未来的研究应着重探讨MgNb2O6与其他二维材料（如石墨烯、黑磷等）之间的界面相互作用，以及如何通过材料设计进一步优化其电气性能和热稳定性。这将为开发下一代超高性能电子器件提供重要的理论指导和实践基础。

【图文速递】

图1：MgNb2O6材料表征和DFT计算。

图2. 超薄MgNb2O6介电性能。

图3. 基于高介电常数κ的MgNb2O6电介质，二硫化钼MoS2 场效应晶体管field-effect transistors，FET的电特性。

图4: 基于MgNb2O6电介质，短沟道MoS2 场效应晶体管FET和逆变器电路。

【科学启迪】

镁铌氧石（MgNb2O6）作为一种新型超薄介电材料，展现出优异的介电性能和高热稳定性，填补了当前二维FET中缺乏高介电常数和低漏电流绝缘材料的空白。这为提高2D电子器件的性能奠定了基础。其次，通过缓冲控制的外延生长方法，成功合成了原子级薄的MgNb2O6单晶，强调了材料合成过程在器件性能中的关键作用。此外，MgNb2O6与单层二硫化钼（MoS2）形成的范德瓦尔斯界面，极大地降低了陷阱态密度，进一步提升了FET的电气性能。最后，研究显示该材料可应用于短通道FET和反相器电路的制造，预示着在超大规模集成电路中实现更高效能的可能性。这些发现不仅为未来二维材料的设计与应用提供了新的思路，也为实现低功耗、高性能的下一代电子器件指明了方向。

原文详情：Wang, X., Li, J., Guo, R. et al. Regulating phase homogeneity by self-assembled molecules for enhanced efficiency and stability of inverted perovskite solar cells. Nat. Photon. (2024). https://doi.org/10.1038/s41566-024-01531-x