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原子层“对接”，让二维材料性能暴涨！

随着器件尺寸逼近极限，金属—半导体接触已成为影响电子器件性能的核心瓶颈。特别是在二维过渡金属硫族化合物（TMDs）中，由于材料表面无悬挂键、天然形成范德华接触，金属难以与材料形成强耦合界面，导致电荷传输受阻、界面结合弱、接触电阻难以下降，更无法承受工业工艺所需的 400°C 高温。尽管边缘接触、半金属接触、低功函数金属等技术曾在一定程度上降低接触电阻，但其弱键合的本质仍难以突破，无法使二维器件满足真正“可制造”的工业要求。范德华界面在热循环中极易发生形变、接触劣化，使得二维器件长期陷于“实验室可用、工厂不可用”的困境。

在此，北京科技大学张跃院士、张铮教授和张先坤教授联合提出一种全新的二维半导体接触途径——原子层键合（Atomic Layer Bonding, ALB）。研究团队在 MoS₂ 中精准移除顶层硫原子，使 Mo 原子层直接与金属形成金属化的相干键合界面。与传统范德华接触相比，ALB 具备强能带耦合、高黏结能与高界面稳定性，接触电阻实现突破性降低，同时在 400°C 条件下仍保持结构完整。基于该技术构建的单层 MoS₂ 器件实现了 70 Ω·μm 的超低接触电阻、1.1 mA/μm 的高开启电流与优异的热机械稳定性，全面达到并超越当前工业硅技术指标，展示二维电子学从“lab 到 fab”的关键跨越可能性。相关成果以“Atomic layer bonding contacts in two-dimensional semiconductors”为题发表在《Science》上，Li Gao和Zhangyi Chen为共同第一作者。

图1系统呈现了 ALB 接口与传统范德华接触在电子结构与界面行为上的根本差别。通过移除顶层硫原子，Mo 原子层得以与 Au(111) 晶面形成直接而强烈的电荷耦合，图1a中红紫相间的电荷重分布清晰展示了 Mo–Au 原子间密集的电子交换，而图1b的范德华界面几乎没有类似的电荷转移。在电势剖面中，ALB 接口的势垒几乎降为零，使载流子能够自由跨越界面，而传统接触仍存在 3.37 eV 的高势垒。对应的能带结构亦体现了两者的不同：图1c显示 ALB 结构中 Mo 与 Au 的 d 轨道强力杂化，能带直接贯穿费米能级，呈现出连续的金属态；而在图1d中，MoS₂ 的导带底仍位于费米能级上方，说明载流子仍受界面阻滞。此外，图1e给出的界面结合能表明 ALB 的键合强度是范德华界面的 5.4 倍，这也解释了图1f中，加热前后的界面稳定性为何呈现出截然不同的表现。通过这一系列对比，图1明确揭示了 ALB 接触在能带耦合、界面结构以及热稳定性方面的全面优势，为实现低电阻、高稳定性的接触奠定了物理基础。

图1：展示原子层键合与范德华接触在电荷耦合、能带结构与界面稳定性上的差异

图2展示了 ALB 界面实现的关键机制：晶格匹配与自适应结构调整。理论计算表明，Mo–Mo 原子间距原本比 Au–Au 更大，导致它们在理想状态下存在 8% 的晶格失配（图2a、2b）。然而当顶层硫被移除后，Mo 原子层因失去上方支撑而发生自然收缩，其收缩后的晶格常数与 Au(111) 几乎完全吻合，如图2c和2d所示，这种天然趋同使原子级相干键合成为可能。图2e、2f进一步揭示了收缩带来的微裂纹反而有助于界面稳定性：裂纹在沉积金属时被填补，在加热过程中又提供应力释放空间，使收缩后的界面能够保持连续与完整，从而避免应力集中导致破坏。实验结果则通过多重实证验证了这一理论。超软 Ar 等离子体能够精确移除顶层硫，使界面过渡区锐利且便于构建短沟道结构（图2g）。在高分辨率 HAADF-STEM 图像中（图2h），Au 与 Mo 的原子行列实现几乎完美的对齐，其界面层间距仅 2.332 Å，远小于传统范德华接触的 4.2 Å 左右，这一非范德华距离直接证明了强键合的形成。界面 Mo 原子的晶格收缩比例更是与理论吻合，表明 ALB 接触并非局部偶然，而是可以稳定重现的可控结构。

图2：揭示 MoS₂ 与 Au 通过移除顶层硫原子实现晶格自适应收缩，从而形成高度匹配、稳定且可在实验中清晰观测的原子层键合界面

图3展示 ALB 接触在器件级别的实际效果。通过在不同沟道长度的器件中提取接触电阻，可以看到即使在未退火状态下，器件已展现相当良好的电荷注入能力，而在 300°C退火后，接触电阻进一步降至 70 Ω·μm，并且在 400°C处理后仍能稳定维持较低水平。图3b、3c中的 TLM 曲线表现出明显的线性响应，说明 ALB 接触在高温优化后几乎实现理想欧姆行为。更令人关注的是，在 30 nm 的超短沟道器件中（图3d–3f），ALB 接触使开关比达到 10⁷，DIBL 降为 30 mV/V，且在仅 0.7V 的偏压下，开启电流便达到 1.1 mA/μm，这一指标已直逼甚至超过先进硅技术对 2028 节点的预测目标。图3g、3h 结合文献数据展示 ALB 与当前所有主流接触技术的横向对比。无论是高温保持的接触电阻，还是短沟道器件的高性能（ION、热稳定性等），ALB 均全面领先。相比受热后迅速劣化的半金属接触或边缘接触，ALB 在 400°C 热处理后依然保持稳定，这意味着它不仅适用于实验室环境，更真正满足 BEOL 的工业温度要求。

图3：展示 ALB 接触在单层 MoS₂ 器件中实现超低接触电阻与高开启电流

图4着重验证 ALB 接触在工业环境下的热机械可靠性。在加热过程中，传统 Au–MoS₂ 接触由于结合弱，金属电极发生明显的重结晶与形变，使应力传递至沟道区域，导致结构伸长甚至损伤；而 ALB 接触因界面键合强度高，电极晶粒在加热后仍保持稳定，几乎不出现位错与重结晶，图4c、4d 的晶粒取向图便清楚反映这一点。对应到器件结构（图4e、4f），ALB 接触的沟道长度在加热前后维持不变，而普通接触的沟道却被拉长 85%，这是器件不可靠的典型表现。拉曼光谱进一步证实了这一差异（图4g、4h）：ALB 接触器件的峰位几乎未移动，而普通接触在加热后出现显著蓝移，说明沟道承受了强烈的拉伸应力。最终在图4i的性能对比中，只有 ALB 接触在 300°C 热应力下仍能维持正常工作，而其他接触方式均出现显著退化甚至完全失效。雷达图（图4j）则把这一优势量化，ALB 在热稳定性、接触电阻、电导率、热导率和工艺兼容性上全面领先。

图4：对比 ALB 接触与普通 Au 接触在高温下的力学变形与器件可靠性

小结

通过构建金属化相干界面，本研究首次在二维半导体中实现具备超强耦合与高结合能的原子层键合接触，解决了困扰该领域多年的接触瓶颈。ALB 接触带来超低接触电阻、卓越热稳定性及高导电与散热能力，使二维器件在综合指标上超越同代硅技术，并满足工业 BEOL 的温度需求。更重要的是，这一策略具备可扩展性，可应用于多种 TMD 材料与金属体系，为二维电子学从“实验可行”迈向“工艺可行”提供关键路径。随着 ALB 接触结合先进器件架构，二维材料有望真正实现从“lab to fab”的技术迁移，推动未来纳米电子技术的新一轮变革。