特殊结构让电流在二维材料中无阻碍流动

来源：科技日报
记者：张梦然

韩国科学技术研究院（KAIST）与成均馆大学联合研究团队取得重大突破，特殊成功开发出一种新型半导体结构，结构实现了电流在二维材料中的让电无阻碍流动。这一成果攻克了长期制约芯片行业的流维流动“电气瓶颈”，有望显著降低下一代半导体器件的材料接触电阻，为人工智能芯片及超低功耗半导体领域提供关键的中无阻碍技术支撑。

传统困境：难以逾越的特殊“势垒”

在半导体器件中，金属电极与半导体接触界面产生的结构接触电阻，是让电导致性能下降和功率损耗的主要原因。随着芯片制程不断微缩，流维流动这一问题愈发严峻，材料成为制约下一代半导体发展的中无阻碍核心瓶颈。

传统工艺通常将金属电极直接附着于半导体表面，特殊但难以彻底消除界面电阻。结构从物理机制来看，让电这相当于电流从金属进入半导体时需跨越一道“能量小坡”，即势垒。
* 硅基芯片：通过选择合适功函数的金属，可以一定程度上降低势垒高度。
* 二维材料：在原子级厚度的单层材料中，材料自身的缺陷态会将费米能级“钉扎”在特定位置。这意味着，即便更换金属电极，势垒高度也几乎保持不变，导致接触电阻长期居高不下。

创新方案：单片集成“半金属-半导体”结构

针对上述难题，研究团队另辟蹊径，在单层二硒化铂（PtSe₂）薄膜内部，连续构建了半金属区域和半导体区域，并使两者在同一材料体系内自然衔接。

这种一体化结构的核心优势在于：
1. 避免界面突变：消除了不同材料间物理界面的不连续性。
2. 平滑输运：电流能够顺畅地从半金属区流向半导体区，不再受传统界面阻挡。

实验验证：纳米尺度下的直接观测

为验证该设计的可行性，团队利用原子力显微镜在纳米尺度上直接观测了薄膜内部的电荷输运行为。实验结果证实：
* 流动连续稳定：当电流穿越半金属与半导体边界时，未出现路径阻塞或弯曲现象。
* 首次实证：这是首次通过实验直接证明单片接口不会干扰电流流动。
* 器件可控性：通过对半导体区域施加电场，团队成功实现了电流的通断控制，证实了该结构具备实际器件的操作能力。

学术发表与前景展望

该研究成果已发表于《细胞》（Cell）旗下期刊《Matter》的最新一期。研究团队指出，这项技术为基于二维材料的下一代半导体提供了降低接触电阻的源头级解决方案。

总编辑圈点

这项研究的深远意义在于从物理机制层面突破了半导体器件微型化的瓶颈。

• 源头式创新：与传统依赖材料堆叠导致能量损耗的方法不同，本研究通过在同种二维材料内部构建“半金属—半导体”特殊结构，实现了电流的无障碍传输。
• 新底层逻辑：这一成果可能为后摩尔时代的芯片设计提供全新思路——不再单纯依靠工艺精度“硬扛”缺陷，而是利用材料本身的特性消除障碍。
• 应用价值：未来，随着该技术的工程化落地，将直接推动AI算力芯片能效的跃升，并加速超低功耗边缘计算设备的普及，尤其在可穿戴设备和物联网场景中具有重要战略价值。