基于TMD异质结构的应变FET设计与可行性研究

《Micro and Nano Engineering》：Design and feasibility of strain FET based on TMD heterostructure

　　

研究人员对过渡金属硫族化合物（TMD）异质结构进行了模拟，重点关注其机电性能。二维沟道层上的压应力大小大于10 MPa。研究人员在化学气相沉积（CVD）生长的TMD层中观察到应力诱导的电导调制。TMD异质结构可实现用于低功耗逻辑的电致伸缩场效应晶体管（E-FET）。

过渡金属硫族化合物（TMD，化学式MX₂，M为过渡金属如Mo、W、Pt，X为硫属元素如S、Se、Te）是一类重要的二维材料，层内共价键合、层间以范德华力（vdW）弱耦合，可剥离出原子级薄层并构筑异质结构。尽管TMD在柔性电子与自旋电子学中潜力巨大，但异质结构中不同TMD层间的机电耦合行为尚未被深入探索。电致伸缩场效应晶体管（E-FET）利用压电材料的电场致应变来调制沟道电导，相较于隧道FET、负电容铁电FET和狄拉克源FET等陡峭亚阈值摆幅器件，E-FET在速度、可靠性和可扩展性方面更易满足低功耗逻辑的设计要求。然而，现有E-FET研究或依赖传统体压电材料，或采用机械弯折而非栅压诱导应变，尚未实现真正基于二维压电层与二维沟道层的低功耗逻辑器件。为弥合这一知识空白，研究人员在《Micro and Nano Engineering》上发表论文，提出了基于TMD异质结构实现E-FET的设计，并通过有限元模拟与导电原子力显微镜（C-AFM）表征验证其可行性，证明单层MoS₂压电层在1 V栅压下可在少层PtSe₂沟道表面产生约10 MPa量级压应力，进而可逆调制沟道电导，为低功耗应变FET提供了关键材料与物理依据。

研究人员采用两种主要技术方法：一是基于COMSOL Multiphysics的有限元（FE）模拟，利用应变-电荷本构方程S = s^ET + d^TE，并采用文献报道的厚度依赖压电系数d₃₃，对[W/MoS₂/PtSe₂/Si]堆栈施加1 V电压，预测沟道层表面应力分布与缩放规律；二是使用C-AFM对CVD生长的少层PtSe₂进行压应力下的电导测量，通过校准探针偏转灵敏度（86.58 nm/V）、力常数（3 N/m）和尖端半径（25 nm）将设定电压转换为压力，并在?0.5 V至0.5 V间重复扫描I-V曲线。样本来源为CVD法在SiO₂/Si衬底上生长的厘米级少层PtSe₂。这些方法将模拟与实验直接耦合，验证了模拟预测的应力范围（20–40 MPa）确能引起沟道电导变化。

3. MoS₂/PtSe