通过H2S处理将金属化Ni掺杂的二硫化铌进行接触工程，以提高MoS2晶体管性能并实现与CMOS的兼容性

未来芯片的新构件

随着器件尺寸缩小且性能提升，传统的首选材料——硅——正接近其物理极限。这项研究探索了一种巧妙的方法，来连接一类原子级薄的新材料，使其能在未来的计算芯片中可靠工作。通过重新设计将电流注入这些超薄层的微小金属接触，研究人员展示了如何构建更快、耐热性更强的晶体管，从而让电子器件在未来数年继续向更小尺寸发展。

为什么超薄材料需要更好的连接方式

现代晶体管通过在通道中引导电流来工作。在当今的芯片中，该通道通常是硅，但当硅被削薄到只有几层原子厚度时，其性能会急剧下降。相比之下，被称为过渡金属硫属化物（TMDCs）的原子级薄晶体，例如二硫化钼（MoS2）和二硒化钨（WSe2），即便在极薄厚度下仍能保持较高性能。然而，一个主要障碍是如何将金属导线连接到这些脆弱层而不在界面处产生大量电阻，后者会浪费能量并使器件变慢。常规金属往往会与TMDC发生反应或扰动其结构，因此工程师们正在寻找能够像纸张一样静置在其上、形成干净且温和的“范德瓦尔斯”接触的金属层。

为电子载流器件量身定制的金属层

作者将注意力集中在使用单层MoS2作为通道、传输负电荷（电子）的n型场效应晶体管上。研究起点是金属化TMDC二硫化铌（NbS2），其天然属性更适合于运载正电荷的p型器件。通过在硫化氢气氛中进行热处理，将少量镍（Ni）插入NbS2，他们改变了其内部结构和电子行为，形成了新化合物记为Ni0.19Nb1.16S2。该新金属层在单层MoS2上形成了干净、层状的接触，使电子更容易流入通道。使用这种接触的器件在“导通”状态下的电流明显高于使用纯NbS2或纯镍的器件。

新接触层如何在不损伤通道的情况下形成

为了解热处理过程中发生的情况，研究人员使用先进的电子显微镜仔细检查了层的横截面。他们先在MoS2上堆叠一层超薄镍膜，然后在其上加入一层薄的铌膜，最后将堆叠暴露在高温硫化氢气体中。在这些条件下，硫与铌和镍反应形成层状金属硫化物。显微和元素分布分析显示，形成的Ni0.19Nb1.16S2排列有序地直接位于MoS2上，并通过范德瓦尔斯界面耦合，关键是镍和铌都没有扩散进MoS2层。当他们仅用单一金属（单独的镍或单独的铌）进行类似热处理时，这些金属会扩散进MoS2并与之混合，从而会降低晶体管性能。相比之下，组合堆栈会自然重排形成一种稳定的层状金属，保持了下方原子薄片的完整性。

为最佳性能与耐热性平衡成分

团队系统地改变起始镍和铌层的厚度来调控最终接触层。他们发现，最终Ni0.19Nb1.16S2层的厚度主要由铌的用量决定，而过量的镍则倾向于聚集在表面上。对大量器件的电学测试显示，一种特定组合——大致一纳米厚的铌加在超薄镍层上——产生了在高电流和可重复性之间最佳平衡的接触。在不同温度下的测量表明，电子从接触层穿越进入MoS2通道的能垒很低，接近纯镍接触的水平，但没有镍与MoS2互混的倾向。当研究者将带有普通镍接触的器件加热到600 °C时，其性能急剧下降，而带有Ni0.19Nb1.16S2接触的器件则保持了强电流和高电子迁移率，展示出优异的热稳定性。

迈向由原子级薄材料构成的完整电路

要构建完整的逻辑电路，芯片制造商需要n型和p型晶体管的组合，这就是所谓的CMOS。先前的工作表明，纯NbS2金属作为基于WSe2的p型器件的接触非常适合，但其性质使其不适合作为MoS2的n型器件接触。本研究表明，通过精确加入镍并采用相同的硫化氢热处理，NbS2可以转化为Ni0.19Nb1.16S2，这对于n型MoS2器件是理想的。换言之，一个工业兼容的工艺可同时制造两种不同且定制的接触——用于p型的NbS2和用于n型的Ni0.19Nb1.16S2——分别匹配不同的原子级薄通道。对非专业读者来说，结论是作者找到了一种“重连”有前景的金属材料的方法，使其能为下一代超薄晶体管提供干净、低电阻且耐热的连接，从而使全面的二维CMOS技术更接近实用化。

引用: Hori, K., Chang, W.H., Irisawa, T. et al. Contact engineering of metallic Ni-integrated niobium sulfide via H₂S treatment for enhanced MoS₂ transistor performance and CMOS compatibility. Sci Rep 16, 12591 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41610-3

关键词: 二维晶体管, MoS2, 接触工程, CMOS, 范德瓦尔斯接触