实现低接触电阻是开发高性能电子器件的基本前提，但在低维半导体领域，这仍然是一项艰巨的挑战。实现低接触电阻的挑战之一是要求金属和半导体的能带对齐以及具有无费米能级钉扎的接触界面，从而最大限度地减少肖特基势垒。通过非共价范德华力而不是共价键将金属与低维半导体键合，可形成清洁无损的原子界面，从而实现肖特基势垒的定制以逼近肖特基-莫特极限。然而，由于受到额外的隧道势垒和固有范德华间隙导致的电子态弱耦合的限制，实验上实现具有超低接触电阻的范德华接触仍然罕见。这一限制引发了接触技术的革命，半金属（例如铋Bi和锑Sb）接触就是代表。然而，半金属接触受到沉积温度高和功函数范围窄的限制。对于柔性电子学领域来说，情况变得更加糟糕，因为该领域需要全面考虑柔性制造工艺和材料的兼容性，以及机械性能和电气性能之间的权衡。无论是柔性电子器件还是刚性电子器件，都亟需开发一种更通用的方法来从根本上克服范德华集成的局限性。
着手调节金属与半导体接触间的基本相互作用是克服高接触电阻的本质途径。为了解决这一问题，北京大学信息工程学院张敏课题组首次提出引入更强的非共价氢键相互作用来克服固有范德华间隙导致的高接触电阻。氢键集成的晶体管不仅具有超高的柔韧性，在弯曲半径低至1.5 mm的情况下可承受十万次以上的弯曲，而且载流子迁移率也比对应的范德华晶体管高一个数量级，为实现超越范德华接触限制的高性能、低功耗柔性电子器件提供了一种可扩展的解决方案。该研究以题为“Hydrogen-bonding integrated low-dimensional flexible electronics beyond the limitations of van der Waals contacts”的论文发表在最新一期《Advanced Materials》上，信息工程学院博士生刘德行和硕士生刘子一为本文的共同第一作者。
基于密度泛函理论，作者通过计算异质结的波平均静电势图提取了接触隧道势垒宽度WB和高度HB，从而验证了表面工程化MXene Ti3C2(OH)2电极与半导体型碳纳米管（S-CNT）间的紧密氢键接触。系统地比较了应用于S-CNT、单层MoS2、有机并五苯单体和半金属石墨烯的范德华力、半金属接触和氢键接触的各种系统的隧穿特性，结果显示氢键接触的WB和HB明显更低。氢键接触的范德华间隙可低至亚1Å，产生的隧穿特征电阻率比范德华接触和最先进的半金属接触低两个数量级，因此有望实现逼近量子极限的超低接触电阻。此外，量子输运模拟也表明氢键接触未引入任何金属诱导间隙态，这对实现低势垒弹道输运至关重要。
图4、具有Ti3C2Fx范德华接触电极及Ti3C2(OH)x氢键接触电极的金半结的温度依赖电学表征
采用抽滤结合光刻法制备了柔性MXene/S-CNT异质结阵列，显示出MXene与S-CNT结间紧密而干净的接触。HRTEM表征进一步证明，CNT与Ti3C2(OH)x MXene 可以形成更强的相互作用和更小的接触距离。由于制备过程完全避免了高能沉积破坏和金属诱导间隙态，预计半导体的本征能带结构及输运特性可以得到最大限度的保留。
通过温度依赖的经典传输线方法（TLM）提取了具有Ti3C2Fx范德华接触电极及Ti3C2(OH)x氢键接触电极的金半结的接触电阻，两者表现出截然不同的温度依赖性。Ti3C2(OH)x/S-CNT异质结显示出接触电阻随温度升高（尤其是高于333 K）而略有增加的反常现象。进一步分析表明，随着温度的升高，Ti3C2(OH)x/S-CNT结的转移长度增加，而S-CNT沟道的片电阻保持不变，这表明接触电阻的增加归因于Ti3C2(OH)x和S-CNT界面之间隧穿特征电阻率的增加。这些电学测量结果与变温FTIR结果非常吻合，即当温度从293 K逐渐升高到363K时，Ti3C2(OH)x/S-CNT结的羟基伸缩振动特征吸收频率发生显著蓝移，这表明接触中存在氢键相互作用。
作者进一步表征了氢键集成薄膜晶体管的电学和机械特性，结果显示在1.5 mm的弯曲半径下，经过十万次动态弯曲循环后器件的迁移率从74.0 cm2 V-1s-1略微降至71.8 cm2 V-1s-1，比具有范德华接触的晶体管的迁移率高一个数量级。这些理想特性可归功于氢键提供的紧密金半接触，同时保持了本征的高柔韧性。
作者最后预测了Ti3C2F2/S-CNT范德华接触以及Ti3C2(OH)2/S-CNT氢键接触电阻的理论极限。范德华接触电阻完全由源自范德华间隙的隧穿电阻主导，与沟道载流子浓度的相关性很弱。当接触区的载流子迁移率从1 cm2 V-1s-1增加到70cm2 V-1s-1时，接触电阻下降约一个数量级，但仍与量子极限相差1-2个数量级。另一方面，氢键接触完全克服了范德华间隙，实现了与硅相当的接触电阻，接近量子极限。实验中的非理想因素会使接触电阻偏离理论预测，因此可以采取潜在措施对其进行大幅优化。
总结：通过第一性原理计算，该工作揭示了相比范德华力，氢键可显著增强电子的隧道效应且未引入金属诱导的间隙态，有望实现逼近量子极限的接触电阻，从而为保持清洁接触界面的同时克服范德华集成的限制提供了一个通用途径。通过利用低温全溶液方法，作者在表面工程化的MXene/碳纳米管金半异质结中首次实现了π-氢键接触，并在此基础上实现了高性能柔性薄膜晶体管。该工作通过变温FTIR及电学测量等联合表征了金半接触中氢键存在的证据，并阐明了温度负依赖的隧穿电阻这一反常现象的基本物理机制，最终实现氢键接触电阻值比对应范德华接触低一个数量级，为实现高性能、低功耗柔性电子器件提供了可扩展的解决方案。
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