应变可调的谷间散射决定了n型和p型二维TMDs的普适迁移率增强

拉伸原子级半导体

我们的智能手机、笔记本和数据中心都依赖于称为晶体管的小型开关。随着工程师把这些开关做得越来越薄，传统硅材料开始显得吃力。本文探讨了一类被称为二维过渡金属二硫化物的原子级半导体，并展示了如何通过轻微拉伸或压缩它们来让电荷更容易流动，从而为更快、更高效的电子器件铺平道路。

为什么薄晶体需要新方法

传统半导体芯片由较厚的晶体构成，在那里应变主要改变载流子的有效质量。在原子级薄层中，情况不同。这些材料在能量图景中存在多个“谷”，每个谷像是电子或空穴的不同车道。电荷在这些谷之间跳跃的难易程度强烈影响它们在器件中移动的速度。作者指出，在这些二维晶体中，用应变调控谷间跃迁比传统硅中关注的有效质量变化更为重要。

团队如何探测看不见的能量景观

为了解应变的真实作用，研究者构建了一个多尺度模型，从原子的量子行为起始，逐步扩展到整器件性能。他们使用第一性原理计算来绘制多种常见二维材料在均匀拉伸或压缩时电子能带和声学振动的变化。将这些结果输入到传输模型中，追踪电子和空穴如何与晶格振动、带电杂质以及近旁绝缘层的远程振动发生散射，从而让团队能够在现实工作条件下计算迁移率对应变的响应。

拉伸电子材料会发生什么

对于载电子（n型）材料，如MoS2、MoSe2和WS2，关键竞争发生在称为K和Q的两个谷之间。在未施加应变的薄片中，两个谷都参与导电，电子可以在它们之间来回散射，减慢总体运动。当薄片受到温和的拉伸时，K谷能量下降而Q谷能量上升，扩大了二者之间的能隙。这使得电子跳入不利谷的难度大幅增加，从而显著减少了谷间散射。其结果是迁移率明显上升，其中WS2的提升最为显著。即便考虑到界面带电杂质和基底氧化物带来的振动等现实干扰，应变带来的相对增益仍然很大。

压缩如何帮助空穴材料

对于载空穴（p型）材料，如MoSe2、WSe2和MoTe2，重要的能谷位于不同点，标为Γ和K。在这里，压缩应变而非拉伸更为关键。施加压缩会将较重的Γ谷在能量上拉开，同时有利于较轻的K谷。再一次，这提高了空穴在谷间跳跃的能量屏障，减少了谷间散射。在这些空穴材料中，WSe2因其较为坚挺的晶格和相对较弱的与振动耦合而突出，既具有较高的基线迁移率，又在压缩下获得最大的增益。研究显示，这些优势在实际的温度、载荷密度、杂质水平和周围介电材料选择范围内都能保持。

从模型走向未来器件

为检验他们的框架，作者将计算得到的无应变迁移率和对应变的响应与大量实验测量结果进行了比对，发现若干材料和器件布局之间吻合良好。他们的核心观点是，精细施加应变为提高二维器件中电子和空穴通道的迁移率提供了可靠手段，其改进幅度超过了硅中已实现的效果。对于芯片设计者而言，这意味着将高质量的二维晶体与合适的绝缘层以及受控的拉伸或压缩量相结合，有望解锁仅由几层原子构成的更快、更低功耗的晶体管。

引用: Afrid, S.M.TS., Zhao, H.L., van der Zande, A.M. et al. Strain-tunable inter-valley scattering defines universal mobility enhancement in n- and p-type 2D TMDs. npj 2D Mater Appl 10, 57 (2026). https://doi.org/10.1038/s41699-026-00689-y

关键词: 二维材料, 应变工程, 载流子迁移率, 过渡金属二硫化物, 纳米电子学