引言
二维（2D）材料场效应晶体管（FETs）因其原子级薄的、无悬挂键的表面和层状结构而在下一代电子学中备受关注。这些特性赋予了其强大的栅极调控能力并能抑制表面粗糙度散射，使其即使在原子尺度也能实现优异的载流子传输。然而，二维FET中金属-半导体结（MSJs）的标准制备涉及在脆弱的二维沟道上直接进行多次光刻、沉积和刻蚀步骤。这些过程会损伤沟道表面并在界面处诱导金属诱导/缺陷诱导的带隙态（MIGS/DIGS），导致费米能级钉扎（FLP）并限制肖特基势垒高度（SBH）的可调性。因此，二维FETs常受限于低效的载流子注入，掩盖了其本征特性并成为性能瓶颈。
目前缓解二维接触中MIGS/DIGS效应的先进策略聚焦于两点：形成具有清洁界面的理想MSJs，以及最小化制备过程中对二维沟道的损伤。一种有前景的实现清洁界面的方法是使用金属性二维材料作为接触电极，利用其与二维半导体之间的本征范德华（vdW）键合。这种全二维MSJs，即金属与半导体通过vdW间隙连接，已通过多种方法被探索。实例包括用于接触的、将2H-MoTe2转化为1T′-MoTe2相的相变异质结MoTe2横向FETs，通过层转移组装二维异质结构接触，通过形成二维金属化合物的金属-二维反应进行界面金属化，以及直接外延生长二维/二维结。这些研究表明，二维材料接触可以提供高效的电荷注入和降低的接触电阻，接近理想的接触行为。然而，由于这些工艺中制备诱导的损伤和界面污染，其实际应用仍然受限。
目前，合成金属性二维电极通常需要通过化学气相沉积（CVD）在高温（>500 °C）下使过渡金属与硫属元素蒸汽反应。将此类接触集成到器件中需要将二维沟道暴露于光刻胶、刻蚀剂和高能金属沉积，这会降低沟道质量并重新引入界面态。另一种方法是在单独的衬底上生长二维金属薄膜并将其转移到半导体上，这涉及聚合物（如PMMA）和后续的清洁步骤，常常在结处造成结构损伤、氧化和污染。这些问题导致了MIGS/DIGS，严重降低器件性能和可靠性。
晶圆上通过CTS直接合成二维半金属
为了解决这些问题，我们提出了一种无转移、低温（350 °C）的硫属元素/过渡金属叠层（CTS）技术，用于在二维沟道上直接形成无损伤的全二维MSJs。在该方法中，首先在2H-MoTe2半导体上沉积一层均匀的硫属元素层（Te或Se）。接着，通过常规电子束蒸发器在其上图案化沉积过渡金属（Mo或Pt），并辅以一薄层覆盖金属（如Au）以协助图案化。随后的350 °C退火使得叠层中的硫属元素和金属发生反应，原位转化为图案化的金属性二维相（如1T′-MoTe2、1T-PtTe2或1T-PtSe2），直接在器件上形成电极。重要的是，预沉积的硫属元素扮演双重角色：它既是形成二维金属的反应物前驱体，又是在加工过程中封装保护沟道、防止其氧化或污染的包覆层。蒸发的硫属元素原子的低动能和适中的350 °C退火温度确保了底层的MoTe2沟道保持完好且无损伤。
2沟道上。(b) 然后在硫属元素层（Te）上对过渡金属（Mo）进行光刻和金属化。(c, d) 在低压下350 °C退火10分钟后，CTS在2H-MoTe2沟道上直接转化为二维金属相。残余的Te层在退火过程中完全蒸发。在整个过程中，Te层扮演双重角色：既作为底层沟道的保护性封装层，也作为形成金属性二维材料的反应前驱体。">
至关重要的是，硫属元素层的封装作用在加工过程中保护了沟道。我们通过比较MoTe2薄膜在模拟光刻工艺中有无Te覆盖时的方块电阻（Rsh）证实了这一点。如图1e所示，未覆盖的原始2H-MoTe2沟道在暴露于显影液和空气后，其Rsh急剧增加（从~1.8 MΩ/sq增至~5.5 MΩ/sq），表明光刻工艺引入了显著的缺陷或掺杂。与之形成鲜明对比的是，在相同处理下，覆盖Te的MoTe2样品的Rsh变化可忽略不计，证明Te层有效地保护了二维沟道免受化学和环境损伤。与此一致，X射线光电子能谱（XPS）显示，经过处理的裸露MoTe2表面出现显著的氧化峰，而Te封装的MoTe2则没有氧化迹象（图1f）。此外，CTS构型也为低温相变提供了有利的热力学条件。与反应物仅在气-固界面相遇的气相CVD不同，这里的硫属元素与过渡金属紧密接触，使得亚稳态二维相可以在较低的热预算下形成。在我们的固态CTS工艺中，1T′-MoTe2在350 °C即可轻易形成，这得到了光谱分析的证实。Te 3d区域的XPS谱（图1g）显示了新的Te-Mo键合特征峰（位于~583和~573 eV）随退火温度升高而增强，表明单质Te转化为碲化物。相应地，退火后叠层的拉曼光谱（图1h）显示出1T′-MoTe2的特征模式（特别是位于~161 cm–1的Bg模式和位于~261 cm–1的强Ag模式），这些模式在沉积态的2H-MoTe2中不存在。这些结果证实了在350 °C成功形成了所需的金属性二维相。
硫属元素层还有助于在退火过程中修复底层半导体的缺陷。碲的熔点低（~449 °C）且蒸汽压高，因此过量的Te会蒸发掉，防止过饱和。同时，来自覆盖层的Te可以扩散以填补MoTe2沟道中的硫属元素空位，改善其化学计量比。实际上，退火前后MoTe2沟道的XPS分析显示Te:Mo比例从~1.91增加到~2.09，接近MoTe2理想的2:1化学计量比。这表明初始薄膜中的Te空位在工艺过程中被填充。第一性原理计算支持这一机制：Te原子扩散到MoTe2表面Te空位的能垒相对较低（~0.42 eV），意味着覆盖层中的Te原子在退火温度下可以轻易迁移到空位中。通过修复缺陷，CTS工艺不仅创造了高质量的二维接触，也增强了二维沟道本身的结晶度和成分。
CTS合成金属性二维电极的电学特性
我们将CTS方法应用于在非晶SiO2衬底上合成有代表性的金属性二维电极，并系统评估了其结构和电学特性。本研究聚焦于三种材料组合：1T′-MoTe2、1T-PtTe2和1T-PtSe2，分别由Te/Mo、Te/Pt和Se/Pt前驱体叠层获得。选择这些特定组合是为了提供与MoTe2沟道在成分上兼容（共享相同的硫属元素或过渡金属元素）并具有有利能带对准的金属性接触。在定义线状CTS图案、沉积图案化的Au接触电极并于350 °C退火后，我们获得了轮廓清晰的二维电极特征，没有观察到残留物或边缘粗糙。
2、(i) 1T-PtSe2和(j) 1T-PtTe2上制备的具有Au电极的TLM器件的光学图像。(k) CTS合成与常规CVD生长的金属性二维材料之间的方块电阻比较，表明CTS方法实现了具有竞争力的电学性能。">
透射电子显微镜（TEM）证实CTS合成的薄膜成功转化为预期的二维金属相。俯视TEM图像（图2d–f）显示了接触区域的多晶层状薄膜：1T′-MoTe2为扭曲的单斜晶格，1T-PtTe2和1T-PtSe2为三斜晶格，与这些材料的已知结构匹配。平均晶畴尺寸在几纳米量级。尽管晶粒尺寸小，但这些薄膜具有电学连续性和金属性。紫外光电子能谱（UPS）测量（图2g）显示1T-PtTe2、1T′-MoTe2和1T-PtSe2的功函数分别为~4.86、~4.95和~5.08 eV，与这些二维材料的报道值或理论预测值吻合良好。
为了定量评估二维接触的电学性能，我们直接使用CTS工艺制备了转移长度法（TLM）结构。在常规TLM制备中，二维沟道被图案化成多个条带，并沉积具有不同间距的金属接触，这需要多次光刻和刻蚀步骤，有损伤二维材料的风险。相比之下，我们基于CTS的TLM方法显著更简单且侵入性更小。首先在衬底上图案化线状CTS区域，然后依次沉积硫属元素和过渡金属前驱体。接着定义不同长度的接触区域，并沉积大面积的3D Au垫以重叠线端用于电学探测（图2h–j）。低温退火后，CTS区域转化为二维金属条带（1T′-MoTe2、1T-PtTe2和1T-PtSe2），而Au垫对Te或Se化学惰性，无需任何等离子体刻蚀或光刻胶显影即可作为低电阻探针。
使用这些原位合成的结构，我们提取了原始状态的Rsh值，同时最小化了接触引起的损伤。CTS衍生的二维金属的测量Rsh值落在已建立的非原位方法合成的高质量二维导体的报道范围内。例如，来自CTS的1T′-MoTe2薄膜的Rsh约为2.09 kΩ/sq，1T-PtTe2约为0.27 kΩ/sq，1T-PtSe2约为0.37 kΩ/sq。这些数值与先前研究中通过高温CVD合成的高质量1T′-MoTe2、1T-PtTe2和1T-PtSe2薄膜的数据非常接近。1T′-MoTe2与Pt二硫属化合物相比略高的电阻率与其扭曲的半金属能带结构和多晶性质一致。我们强调，由于我们的测量是在低温合成后立即进行的，中间没有任何转移或制备步骤，二维金属薄膜保持得非常清洁。因此，我们在每个样品的Rsh上观察到极小的器件间差异：对于MoTe2、PtTe2和PtSe2薄膜，变异系数Cv分别仅为~5.4%、~13.2%和~16.1%。这种高度均匀性和可重复性凸显了CTS方法在大面积集成二维接触方面的可扩展性。
CTS集成到二维FETs中的TEM分析
实现理想MSJs的一个关键要求是底层二维沟道在整个接触制备过程中必须保持结构和电学上的完整性。为了在原子尺度验证这一点，我们对退火前后的MoTe2沟道和CTS接触区域进行了截面扫描透射电子显微镜（STEM）分析。图3比较了两个样品：一个是将Te/Mo（10 nm/4 nm）叠层直接沉积在2H-MoTe2上但未退火（制备后状态），另一个是相同的叠层在350 °C退火10分钟以形成1T′-MoTe2接触。
2的截面HAADF-STEM图像，显示保存完好的层状结构延伸超过200 nm，表明Te层在Mo沉积过程中充当保护屏障。(b) 通过CTS在350 °C退火形成的1T′/2H-MoTe2异质结构的截面HAADF-STEM图像。(c, d) 分别为Te/2H-MoTe2和1T′/2H-MoTe2界面的高倍图像，确认了原子级尖锐且完整的层状结构。(e, f) Te/2H-MoTe2界面的原子分辨率图像和相应的截面强度分布图，突出显示了一个保存完好的vdW间隙。(g, h) 在350 °C退火后，1T′/2H-MoTe2界面的原子分辨率图像和相应的强度分布图，显示出~0.32 nm的原子级定义的vdW间隙。">
在沉积态样品中，我们观察到一层连续的Te层保形地覆盖在MoTe2表面，界面处无间隙或反应。Te形成一层非晶层，完美地贴合原子级平整的2H-MoTe2，在横向数百纳米范围内保持尖锐的界面。这证实了将Te蒸发到2H-MoTe2上不会刻蚀或破坏晶格，这与我们的电学测试中Te覆盖样品的Rsh无变化的结果一致。沉积在Te顶部的Mo层是多晶的，与Te薄膜的边界有些粗糙，但重要的是，Te仍然将Mo与2H-MoTe2沟道隔开。在高倍放大下，MoTe2晶格清晰可见，直至Te层，最顶层的2H-MoTe2平面没有损伤或无序的迹象。穿过界面的强度分布图显示在Te/MoTe2边界处有清晰的下降，表明2H-MoTe2的本征层状结构在界面处保持完好。我们还注意到顶部MoTe2层与Te层之间有~0.32 nm的间距，这对应一个vdW间隙而非化学键，即Te是依靠在MoTe2上而没有破坏其表面键。
退火后，叠层已转变为约10 nm厚的1T′-MoTe2位于剩余的2H-MoTe2之上。MoTe2的层状特征在图3f中显示为明暗交替的线条，尽管晶粒具有随机的面内取向。我们强调，转换后的1T′相的厚度可以通过起始过渡金属层的厚度来调节。在界面处，1T′-MoTe2和2H-MoTe2之间形成了一个尖锐的结。图3g展示了这个1T′/2H-MoTe2MSJ的原子分辨率图像，可以看到从2H-MoTe2晶格（六方排列的Te-Mo-Te层）到1T′-MoTe2晶格（扭曲的八面体配位）跨越单个单层台阶的突然转变。界面处没有残留的单质Te或未识别的反应产物；基本上，所有Te原子要么融入了1T′-MoTe2相，要么在退火过程中蒸发掉了。相应的强度线扫描再次揭示了1T′/2H-MoTe2MSJ处存在~0.32 nm的间距，与MoTe2预期的层间vdW间隙相匹配。这证实了结是由vdW相互作用主导，而非共价键或合金化的过渡区域。保持这个vdW间隙至关重要：它标志着接触与沟道之间化学键合的清洁断裂，从而最小化了带隙态，进而减少了FLP。确实，观察到具有明确定义间隙的原子级尖锐界面表明，我们CTS制备的MSJ非常接近具有最小界面态的理想二维/二维接触模型。
总之，STEM分析验证了CTS集成MSJs的结构完整性和清洁度。退火前，硫属元素层完全保护了沟道；退火后，新的二维金属接触与二维半导体形成了突变异质结。整个过程对2H-MoTe2晶体没有可辨别的损伤。这些发现表明，我们的低温固态合成可以在二维半导体上集成二维金属接触而不损害沟道，这相比传统的接触制备方法具有明显优势。
集成CTS合成二维电极以形成全二维MSJs
我们制备了背栅MoTe2晶体管阵列，以评估CTS合成接触的器件级性能。图4a展示了器件结构：2H-MoT
