近日，微電子所在有機電荷轉移分子調控二維材料電學特性研究上取得重要進展。
薄層過渡金屬二硫化物（TMDCs）以其獨特的電學、光電、機械和磁學特性為探索低維系統中的新物理特性和應用途徑提供了一個新的平臺。其中，在場效應晶體管應用中，少層二硫化鉬（MoS2）可以突破傳統半導體材料的短溝道極限。然而，硫元素的易揮發性會引入大量硫空位，在導帶邊緣以下的禁帶中引入缺陷態，從而導致施主能態相關的摻雜現象，這會制約其應用。
針對此問題，微電子所劉明院士團隊提出了使用有機電荷轉移分子 F4TCNQ與MoS2結合形成范德華界面，通過 F4TCNQ 與MoS2之間的電荷轉移來降低溝道內無柵壓情況下的載流子濃度。MoS2晶體管的開啟電壓（Von）從負數十伏被調制至0伏附近，F4TCNQ并未導致MoS2晶體管包含遷移率在內的任何電學性能的下降，其亞閾值擺幅（SS）反而明顯提升。團隊成員通過第一性原理計算以及掃描開爾文探針顯微鏡表征證實了范德華界面處電荷轉移的存在性，并研究了F4TCNQ對MoS2態密度的調制以及空間電荷區中轉移電荷的分布特性。最后利用這種電荷轉移機制，團隊成員進一步探索了該范德華電荷轉移界面的兩種潛在應用：媲美于鐵電柵的超快開啟晶體管以及響應度超過1000%的還原性分析物的探測裝置。
該工作以《Charge Transfer within the F4TCNQ-MoS2 van der Waals Interface: Toward Electrical Properties Tuning and Gas Sensing Application》為題發表在《先進功能材料》雜志上（Advanced Functional Materials，https://doi.org/10.1002/adfm.201806244）。微電子所微電子重點實驗室博士后王嘉瑋為該論文第一作者，李泠研究員和國家納米科學中心江潮研究員為該論文共同通訊作者。
該項研究得到國家重點研發計劃，國家自然科學基金，中國科學院戰略重點研究計劃等項目的資助。
圖1. F4TCNQ對MoS2晶體管電學性能的調控（上）及第一性原理計算F4TCNQ對MoS2態密度的影響（下）
圖2. SKPM對電荷轉移機制及空間電荷區的表征（上）及基于電荷轉移界面的超快開啟晶體管的性能 (下)
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