南开大学Chem. Mater. | 新型高温稳定的二维晶体管电极材料：BiOₓ

英文原题：Wafer-Scale Evaporated Metallic BiO_x as Contact Electrodes of MoS₂ Transistors with Enhanced Thermal Stability

通讯作者：吴金雄、罗锋（南开大学）

作者：Zhaochao Liu, Jiabiao Chen, Wei Ai, Shuyi Chen, Yuyu He, Zunxian Lv, Mingjian Yang, Wenbin Li, Feng Luo* and Jinxiong Wu*

近日，南开大学材料科学与工程学院的吴金雄研究员和罗锋教授研究团队在二维半导体器件领域取得重要研究进展。他们通过热蒸发技术成功制备出具有优异导电性和热稳定性的金属性BiO_x薄膜，并将其应用于二硫化钼（MoS₂）晶体管的接触电极，显著提升了器件在高温环境下的可靠性。相关论文近期发表于国际权威期刊Chemistry of Materials。

二维半导体材料（如MoS₂）因原子级薄层结构可有效抑制短沟道效应，被视为延续摩尔定律的潜力候选材料。然而，如何为这类材料选择合适的电极始终是技术难点。传统高熔点金属电极虽耐高温，但易因费米能级钉扎等问题导致接触电阻过高；而低熔点金属铋（Bi）虽能实现超低接触电阻，但其熔点仅271.5 °C，难以兼容高温制造工艺和实际应用场景。

图1. BiO_x薄膜的热蒸发制备及电学性能。(a) 通过热蒸发沉积在SiO₂/Si衬底上的BiO_x薄膜示意图；(b) 20nm的BiO_x薄膜沉积在2英寸Si/SiO₂晶圆片上的照片；(c) BiO_x 高分辨透射电子显微镜图像；(d) 纵向电阻（Rxx）随温度变化的关系； (e) BiO_x样品中霍尔迁移率和载流子浓度; (f) 室温下的BiO_x薄膜霍尔迁移率与厚度依赖关系。

为此，研究团队另辟蹊径，选择绝缘的α-Bi₂O₃作为原料，通过真空热蒸发技术制备出富含氧空位的BiO_x薄膜。这一过程中，α-Bi₂O₃因氧元素流失形成独特的“多晶铋颗粒嵌入非晶BiO_x基质”结构（如图1所示）。X射线光电子能谱（XPS）和透射电镜（HRTEM）分析证实，材料中同时存在零价态Bi和Bi³⁺，赋予其金属导电性。实验数据显示，BiO_x薄膜展现出优异的电学性能：室温霍尔迁移率达60 cm²·V^-1·s^-1，载流子密度高达1.5×10¹⁵ cm^-2。更重要的是，其热稳定性远超纯铋。譬如，如图2所示，BiO_x薄膜在300 °C下退火0.5小时后，表面粗糙度与电阻变化不大，并能保持良好的导电性，而Bi薄膜在相同条件下变得不连续，电阻急剧增加至断路。随后，研究团队将BiO_x薄膜作为MoS₂晶体管的接触电极进行测试。结果显示其呈现：1）超低接触电阻：结合金（Au）电极后，接触电阻低至650 Ω·μm，导通电流达27.5 μA·μm^-1，优于多数文献报道值；2）高温稳定性：经历300 °C、6小时退火后，器件电学性能几乎无衰减，而传统铋电极器件在0.5小时内即完全失效（图2）。

图2. BiO_x薄膜与BiO_x/Au-MoS₂ FET高温退火性能。 (a) 原始和退火后的BiO_x薄膜的表面粗糙度；(b) 原始和退火后的Bi薄膜的表面粗糙度；(c) BiO_x薄膜退火前后的I - V曲线；(d) 300℃不同退火时间下BiO_x / Au接触FET的转移特性（I_ds−V_g）； (e) Bi/ Au接触FET在300℃退火0.5 h前后的转移特性（I_ds−V_g）。

这一成果为下一代高性能电子器件的开发提供了新思路。南开大学吴金雄研究员与罗锋教授为该工作的共同通讯作者，南开大学材料科学与工程学院2024级博士研究生刘召超为第一作者。该工作得到了国家自然科学基金面上、重大研究计划及科技部重点研发等项目的资助。

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Wafer-Scale Evaporated Metallic BiO_x as Contact Electrodes of MoS₂ Transistors with Enhanced Thermal Stability

Zhaochao Liu, Jiabiao Chen, Wei Ai, Shuyi Chen, Yuyu He, Zunxian Lv, Mingjian Yang, Wenbin Li, Feng Luo* and Jinxiong Wu*

Chem. Mater. 2025, 37, 8, 2836–2843

https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.4c03540 

Published April 8, 2025

Copyright © 2025 American Chemical Society

PI简介

吴金雄，南开大学材料科学与工程学院研究员、博士生导师。2012年本科毕业于南开大学，2017年获北京大学理学博士学位，2017-2019年北京大学博士后。2019年9月回南开大学组建课题组，任独立PI，在下一代晶体管关键材料及界面调控方面做出了特色鲜明的工作。近5年来，以通讯作者身份在Nat. Electron.、Nat. Commun. (2篇)、J. Am. Chem. Soc.（2篇）、 Angew. Chem. Int. Ed.、Nano Lett.、ACS Nano等高水平期刊上发表论文近20篇，主持国家青年人才项目、基金委重大研究计划（培育）、面上、北京分子科学国家研究中心开放课题等项目，并参与科技部重点研发青年项目等，担任Nature Electronics、Nature Communications等众多高水平期刊审稿人。

罗锋，南开大学讲席教授，入选国家高层次人才引进计划。2004年博士毕业于北京大学，2010-2020任西班牙马德里高等研究院纳米所资深研究教授，2021年全职加入南开大学材料科学与工程学院。研究兴趣包括微纳加工、光刻与刻蚀工艺、磁随机存储器件及磁光传感、自旋电子学材料与器件、材料性能调控与先进表征工艺等。

（本稿件来自ACS Publications）