ナノスケール材料：三次元金属と二次元半導体のファンデルワールス接触

電界効果トランジスターの半導体チャネルの寸法が小さくなるにつれて、ソース電極とドレイン電極における金属–半導体界面の接触抵抗が増大し、デバイスの性能を左右するようになる。二硫化モリブデン（MoS₂）などの二次元（2D）遷移金属ジカルコゲニドは、極薄電界効果トランジスター用の優れた半導体となることが示されている。しかし、金属と2D遷移金属ジカルコゲニドの界面全体で接触抵抗が異常に高いことが観測されている。最近の研究において、数層の遷移金属ジカルコゲニド上にグラフェンや金属を転写して形成したファンデルワールス接触は、接触特性が良好であることが示されている。しかし、三次元金属と単層2D遷移金属ジカルコゲニド間のファンデルワールス接触は、まだ実証されていない。今回我々は、厚さ100 nmの金電極で被覆した厚さ10 nmの金属インジウムと単層MoS₂の間に極めて清浄なファンデルワールス接触を実現したことを報告する。我々は、走査型透過電子顕微鏡法による画像化を用いて、200°Cでアニーリングすると、インジウム層と金層が固溶体を形成することと、金で被覆したインジウムとMoS₂の界面が原子レベルで急峻であり、金属と2D遷移金属ジカルコゲニドの間に検出可能な化学相互作用がないことを示す。このことから、金で被覆したインジウムと単層MoS₂の間にファンデルワールス型結合が存在すると示唆される。インジウム/金電極の接触抵抗は、単層MoS₂の場合で3000 ± 300 Ω μm、数層MoS₂の場合で800 ± 200 Ω μmであった。これらの抵抗値はMoS₂上に蒸着した三次元金属電極では最も低く、移動度167 ± 20 cm² V⁻¹ s⁻¹の高性能電界効果トランジスターが実現可能になる。また我々は、極薄二硫化ニオブ（NbS₂）上で220 ± 50 Ω μmという低い接触抵抗を、インジウム合金と接触させた二硫化タングステン（WS₂）と二セレン化タングステン（WSe₂）において、欠陥のない界面を示すほぼ理想的なバンドオフセットを実証する。今回の研究は、標準的な実験室技術を用いて単層2D半導体上に極めて清浄なファンデルワールス接触を形成する単純な方法を提示している。

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