近年来，二维半导体材料（2DSC）因其优异的电、磁、光、热和机械特性在电子、光电、热电等领域有着广阔的应用前景。二维半导体晶体管，作为电子、光电、热电等应用的基本器件单元，被人们广泛地研究。然而，由于缺乏一个有效和稳定的替代掺杂技术，二维半导体场效应晶体管（2DSC-FET）常常依赖金属电极直接接触来注入合适类型的载流子。而肖特基势垒普遍存在于金属-二维半导体界面中，显著地影响甚至主导大多数2DSC-FET的性能。因此，确定其肖特基势垒高度（SBH）变得非常重要。在金属-二维半导体界面处无费米能级钉扎（FLP）的理想情况下，SBH可以用肖特基-莫特规则来预测，即金属的功函数分别与2DSC的电离能和亲合能的差值。但是由于界面处金属与2DSC的耦合，导致FLP效应普遍存在，SBH一般会偏离肖特基-莫特规则。如何从理论上准确计算2DSC-FET的界面处的SBH是个很有挑战的问题。

北京大学人工微结构和介观物理国家重点实验室吕劲课题组发展了运用第一性原理量子输运(QTS)方法，充分考虑晶体管中金属与2DSC的相互作用和费米能钉扎效应来确定2DSC-FET的SBH的方法，突破了先前理论研究中没有充分考虑金属电极与沟道2DSC耦合的局限。他们对22种以上二维材料(涵盖V族烯，VI族烯，过渡金属二硫化物TMDs，III-VI族，III-V族，IV-VI族化合物)与金属(Au, Pd, Pt, Ag, Sc, Ti, Ni, Cr, Sb, Ir, In, Graphene, Co, Cu, Al, Tl, MXene)在晶体管结构下的肖特基势垒进行了系统研究，结果与实验普遍吻合。相关成果分别发表于：《科学报告》（Scientific Reports, 6 , 21786 (2016)）;《材料化学》（Chemistry of Materials, 28 , 2100 (2016)）;《纳米尺度》（Nanoscale, 8, 1179 (2016)）；《纳米研究》（Nano Research, 11(2), 707-721 (2018)）。

基于上述工作，近日，本实验室吕劲课题组与航天五院钱学森空间技术实验室王洋洋和肖林、北京大学深圳研究生院潘锋课题组和北京邮电大学理学院屈贺如歌合作在物理学顶级综述期刊《物理进展报告》（Reports on Progress in Physics, 84, 056501 (2021))上发表了长篇综述文章，系统介绍了2DSC-FET中SBH的理论预测和实验研究的最新进展，以及为实现低肖特基势垒接触所做的理论和实验工作，论文原文链接：https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6633/abf1d4。

目前晶体管使用的大多数电极都是纯顶部接触，顶接触的2DSC-FET有着双界面肖特基势垒模型，如图1所示，源区中的金属与2DSC之间的界面表示为界面I，源区和沟道区的2DSC之间的界面表示为界面II，界面I和II处分别对应垂直和水平SBH。该综述比较了理论预测SBH的不同方法（图1），包括能带计算（BSC）、功函数近似（WFA）和第一性原理量子输运模拟。BSC和WFA方法忽略了源漏极和2DSC沟道之间的相互作用，没有考虑水平界面处的FLP效应。而在QTS方法中，采用密度泛函理论结合非平衡格林函数对晶体管进行了整体模拟，考虑了界面I和II处的耦合，因此考虑了垂直和水平界面处的FLP效应。综述还对比了不同理论预测方法给出的SBH，并与实验进行比较。QTS方法得到的SBH与实验结果能更好地吻合，证实了使用QTS预测SBH的准确性。最后，该综述从最先进的2DSC-FET电极设计的角度进行了总结和展望。

图1. 能带计算（BSC）、功函数近似（WFA）和量子输运模拟(QTS)的原理示意图。

航天五院钱学森空间技术实验室王洋洋副研究员、北京大学物理学院凝聚态物理2017级博士研究生刘士琦、2020级博士研究生李秋卉和北京邮电大学理学院屈贺如歌副教授为文章的共同第一作者。本实验室吕劲研究员、航天五院钱学森空间技术实验室肖林研究员和北京大学深圳研究生院新材料学院潘锋教授为文章的共同通讯作者，其中吕劲研究员入选2020全球前2%顶尖科学家“生涯影响力”和2020全球前2%顶尖科学家“年度影响力”榜单以及爱思唯尔2020中国高被引学者，潘锋教授入选2020全球前2%顶尖科学家“年度影响力”榜单以及爱思唯尔2020中国高被引学者。这一工作得到国家自然科学基金重大研究计划、国家材料基因组计划、人工微结构和介观物理国家重点实验室、中央高校基本科研基金、中国博士后科学基金、陕西省自然科学基础研究项目、陕西省教育厅科研计划项目、北京大学高性能计算平台和北京邮电大学信息光子学与光通信国家重点实验室开放基金支持。