鑽石舞台

福州大學陳惠鵬研究員和廈門理工學院嚴育傑博士等人在SCIENCE CHINA Materials發表研究論文，提出了一種MXene/半導體雙層結構製備n型薄膜晶體管的方法，其中高遷移率和長橫向尺寸的MXene納米片作為主要的電荷傳輸通道，可顯著增強電子傳輸，成功製備出高性能的n型薄膜晶體管。

有機場效應晶體管是一類界面電荷調控型的半導體器件，即電荷的產生和傳輸僅在絕緣層與半導體層界面的幾個原子層厚度內。因此，該界面特性（包括粗糙度、表面能以及缺陷態密度等）顯著影響了場效應晶體管的性能，特別是n型晶體管，這是因為電子比空穴更容易被界面缺陷所捕獲，並且對其傳輸環境更加敏感。進一步優化絕緣層與半導體層界面，對於製備高性能n型晶體管尤為重要。

自組裝單分子層（SAM）是廣泛使用的調控絕緣層界面特性的有效方法。然而，該方法的處理需要特殊的步驟，往往相對耗時且低效，因而增加器件製備的複雜性。與SAM相比，多層結構的方法是採用相同的製備工藝而無需特殊處理，並且利用多層結構已成功製備出高性能的多功能器件，例如太陽能電池、發光二極管以及發光晶體管等。

近日，福州大學陳惠鵬研究員和廈門理工學院嚴育傑博士等人設計了一種MXene/半導體雙層結構的n型場效應晶體管，如圖1所示。局部互連的MXene納米片（橫向平均尺寸達3 µm）作為主要的電荷傳輸通道，而N2200作為n型半導體層提供電子電荷。

圖1. MXene結構表徵和MXene/N2200晶體管器件結構示意圖

在正柵電壓作用下，N2200靜電誘導出電子，然後電子在電負性MXene與異質結內建電場的協同作用下從N2200轉移至MXene納米片中。由於MXene納米通道是高度結晶的二維材料，其具有更少的缺陷和陷阱態，從而顯著減少了電子被捕獲的幾率；同時高遷移率的MXene也有利於電子快速傳輸至電極。因此，相比於單層N2200和OTS處理的晶體管器件，該MXene/N2200雙層結構晶體管表現出明顯提高的電學性能，即遷移率增加了100倍，電流開關比達104，亞閾值擺幅達0.65V/dec，如圖2所示。

該工作為製備高性能n型薄膜晶體管提供了一種新結構，為其在高增益互補邏輯電路中的應用奠定了理論基礎。

基金支持：This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (U21A20497 and 61974029), the Natural Science Foundation for Distinguished Young Scholars of Fujian Province (2020J06012), and Fujian Science & Technology Innovation Laboratory for Optoelectronic Information of China (2021ZZ129).