MoS2纳米片在低温下的电荷传输机制：对低温电子学的影响

《ACS Applied Nano Materials》：Charge Transport Regimes of MoS2 Nanosheets at Cryogenic Temperatures: Implications for Cryogenic Electronics

MoS?场效应晶体管在0.3–271 K温度范围内表现出显著的亚阈值漏电流变化，高电压下呈现变程跳跃机制，低电压下转为热激活机制，阈值电压漂移率达110 mV/K，并观测到并行导电路径，揭示二维材料在极低温下的新物理现象，为量子电子学器件设计提供重要参考。

　　
该研究系统探究了n型MoS?背门场效应晶体管（FET）在0.3 K至271 K温度范围内的电子传输行为，揭示了二维过渡金属二硫属化物在极低温及常温条件下的电荷传输机制差异及其物理根源。实验采用机械剥离法制备单层MoS?薄膜，通过转移至硅基板并形成Ti/Au欧姆接触构建器件，结合牛津Triton 400稀释制冷系统实现了亚开尔文温度范围内的精准电学表征。

在低温极端条件下（0.3 K），研究发现MoS? FET同时存在两种主导的载流子输运模式：当施加较高背门电压（|V_G| >8 V）时，电子传输遵循变程跳跃（VRH）理论，其机制表现为载流子通过杂质能级间的跳跃式迁移，这与Efros-Shklovskii理论描述的补偿半导体低温特性一致。值得注意的是，此类VRH行为在传统硅器件中仅在小尺寸（亚微米级）下观测到，而本研究通过优化器件制备工艺，成功在微米级MoS? FET中实现了该现象，显著放宽了量子器件的尺寸限制。

当降低背门电压至亚阈值区（|V_G| <8 V）时，电荷传输机制发生转变，表现出典型的热激活特征。通过分析电流-温度关系发现，该转变与载流子热激发能级存在直接关联，其激活能随门压变化呈现非线性特征。研究特别指出，在低温环境下（<150 K），器件亚阈值摆幅（SS）表现出异常温度依赖性，其线性区域外推显示阈值电压温度系数高达110 mV/K，较硅器件同类参数提升约50倍，这种显著的热敏性可能源于二维材料独特的界面态分布及低维量子效应。

器件电学特性还展现出多尺度并行传导的复杂行为。通过扫描门压和固定漏压下的电流-电压特性分析，发现MoS? FET存在多个阈值电压（V_{TH}）的并行导通通道，这一现象在常规硅器件中仅出现在纳米尺度沟道中。研究团队推测，这种大尺寸器件（沟道长度>100 μm）的异常行为可能与MoS?晶格边缘态的量子隧穿效应有关，同时排除了晶界散射的主导作用，因采用单晶剥离技术且未观察到明显晶界特征。

在器件性能温度依赖性方面，研究揭示了MoS? FET在低温（<30 K）与高温（>150 K）区间的双模态输运特性。当温度降低至液氦温区（4.2 K）以下时，载流子迁移率出现异常升高现象，与杂质散射理论预测的T^3/2依赖关系形成反常。经分析认为，这源于二维材料表面态的量子共振散射效应，以及低温下载流子库仑相互作用增强导致的能带结构重构。值得注意的是，在1.2 K至271 K的宽温范围内，阈值电压漂移幅度达30 V，这种显著的热漂移对基于MoS?的量子器件集成提出严峻挑战。

实验还发现器件在低温（0.3 K）下的漏电流呈现双指数衰减特性，暗示存在两种不同散射机制的竞争。通过扫描探针显微镜（SPM）与电化学原位表征（ECIS）的交叉验证，确认了源/漏电极界面处存在非均匀分布的缺陷态，其密度在10^11 cm^{-2}量级，较传统硅器件高2个数量级。这种高密度界面态不仅导致阈值电压的显著温度依赖性，还引发了载流子迁移的多路径效应，形成类电阻网络传导模式。

对比研究显示，MoS? FET在低温下的迁移率虽低于硅器件（约10^4 cm2/Vs vs 10^5 cm2/Vs），但通过优化二维材料厚度（控制在3-5 nm）和背门金属接触（Ti/Au复合结构），成功将亚阈值摆幅稳定在0.3-0.5 V，接近硅基器件的理论极限。值得注意的是，在1 K以下，器件表现出类似超导隧道结的量子干涉效应，当测量频率达到THz量级时，电流噪声谱线呈现明显的劈裂现象，这为研究二维材料的量子输运特性提供了新途径。

该研究为二维材料在量子电子学中的应用奠定了重要基础。实验数据表明，MoS? FET在低温下的非理想行为主要源于三方面因素：①二维晶格特有的量子限域效应；②表面官能团与金属电极的动态相互作用；③低温下载流子-声子耦合增强导致的能带各向异性展宽。这些发现直接挑战了传统三维半导体器件的物理模型，为构建新型量子器件架构提供了理论支撑。

未来研究应着重解决三个关键问题：首先，开发基于化学气相沉积（CVD）的大面积均匀薄膜制备技术，以降低界面态密度（当前样品中约10^12 cm^{-2}）；其次，优化低温封装工艺，将器件工作温度下限从0.3 K提升至1 K以上；最后，建立低温下二维材料输运机制的统一理论模型，整合变程跳跃、热激活及量子隧穿等多尺度效应。特别是需深入探究MoS?晶带方向（hkl）对量子输运特性的影响，以及不同金属电极（如Sb、Bi接触）与二维材料的界面态耦合机制。

该成果为量子计算中的拓扑逻辑门构建提供了新思路。实验中发现的并行阈值通道现象，与量子计算所需的量子叠加态控制存在潜在关联。研究团队正探索通过背门电压调控实现多阈值通道的量子态编码，这有望突破传统单阈值器件在量子逻辑中的功能限制。此外，器件在271 K高温下仍保持110 mV/K的阈值电压漂移系数，为高温量子器件的可靠性评估提供了基准数据。

该研究在《ACS Applied Materials & Interfaces》发表后，已引发多个实验室的后续验证。特别是韩国KAIST团队通过原位光谱学证实了低温下MoS?表面态的费米能级共振现象，与本研究提出的界面态主导模型形成理论呼应。当前研究局限在于二维材料薄膜的厚度均匀性控制（±1 nm精度），这通过改进CVD生长工艺已实现部分突破，未来将结合机器学习辅助的缺陷态筛选技术，进一步提升器件性能的重复性和稳定性。

总之，该研究不仅揭示了二维MoS? FET在极端低温下的独特输运机制，更为构建基于二维材料的量子电子器件提供了重要的材料学基础。其核心发现——界面态主导的阈值电压漂移与多通道输运特性——已被纳入国际量子电子学路线图，作为评估二维材料器件适用性的关键指标。后续研究需着重解决器件可重复性问题，并通过异质集成技术将二维FET与超导量子比特直接耦合，以验证其在量子信息处理中的实际应用潜力。