二维半导体电子学一直以来面临的一大核心瓶颈是金属接触问题。常规金属蒸镀会在金属与二维半导体界面处引发强费米能级钉扎效应和界面损伤，导致较高的接触电阻，限制了器件性能的进一步提升。针对这一挑战，Ying Zhang、Chang Liu、Huiting Wang 等来自中国科学院上海技术物理研究所、湖南大学、复旦大学和新加坡国立大学等多个研究团队的研究人员，在 Science 期刊上于 2026 年 8 月 27 日发表了一项题为“Direct evaporation of single-crystal metal contacts for 2D semiconductors”的研究成果。该研究提出了一种原子尺度逐步蒸镀方法，能够在二维半导体上直接生长单晶金属接触，显著改善了界面质量和接触性能。

该研究的学术背景立足于二维半导体在晶体管尺寸微缩方面所展现出的潜力。二维半导体因其原子级厚度和优异的静电控制能力，被认为是超越硅基晶体管极限的重要候选材料。然而，金属-二维半导体接触一直是制约其实际应用的关键因素。传统金属蒸镀过程容易损伤二维材料表面，同时造成费米能级钉扎，从而引入较大的肖特基势垒与接触电阻。虽然转移金属电极和半金属接触等方法可以在一定程度上缓解这些问题，但它们分别面临着范德华间隙隧穿势垒、热稳定性不足或工艺复杂等限制。因此，如何在保持干净界面的同时获得低电阻、高热稳定性和可扩展的接触方案，成为该领域亟待突破的关键问题。

为了实现这一目标，研究团队开发了一种名为 step-eva 的原子尺度逐步蒸镀方法。这一方法的具体流程包括交替进行原子级沉积剂量与长时间稳定暂停。每次沉积厚度控制在约 0.5 纳米，随后暂停 5 分钟，以稳定腔体压力和温度，并促进吸附原子的迁移和晶畴横向合并。这一过程反复进行，直到金属薄膜达到目标厚度。与连续蒸镀方法相比，该方法能够抑制无序二次成核，促进范德华外延生长，从而获得单晶金属薄膜。研究对象包括多种金属如铋、银、铟、金和钯，以及二维半导体材料如单层二硫化钼和二硒化钨。研究团队利用原子力显微镜、平面视图扫描透射电子显微镜、选区电子衍射、截面原子分辨率成像和电子背散射衍射等手段对金属薄膜的形貌、晶体结构和界面质量进行了系统表征。同时，研究还借助动力学蒙特卡洛模拟来分析逐步蒸镀过程中的表面覆盖率、成核密度和扩散长度等关键参数，从机制上支持了该方法对生长动力学的调控作用。在器件层面，团队制备了场效应晶体管和传输线模型结构，测量了接触电阻、开关比、输出特性和温度依赖性等电学性能，并利用开尔文探针力显微镜测量了金属表面功函数的空间均匀性。

在实验结果方面，该研究首先确认了连续蒸镀方法容易导致金属呈多晶或纳米晶结构，界面处存在大量晶界、缺陷以及二维材料损伤。相比之下，逐步蒸镀方法制备的铋薄膜在 7 纳米厚度时即实现晶畴完全合并，表现出单晶特征，并沿 [0001] 方向与二硫化钼形成明确的范德华外延关系。截面原子分辨率成像进一步证明，单晶金属与二维半导体之间形成了原子级干净且有序的界面。逐步蒸镀方法还展示了对不同金属和不同二维材料的普适性。例如，银、铟、金和钯均在单层二硫化钼上获得了单晶生长，且铋可以在二硫化钼断裂边缘处无缝延伸至非晶二氧化硅基底上，显示出良好的外延连续性。在电学性能方面，8 纳米厚的单晶铋薄膜仍然保持优异的导电性，而同样厚度的多晶铋薄膜则因晶粒不连续而无法形成有效金属导电通道。

该研究还特别强调了单晶金属在功函数稳定性和抑制费米能级钉扎方面的优势。连续蒸镀所得多晶金属功函数存在 0.1 至 0.2 电子伏特的波动，而逐步蒸镀所得单晶金属功函数则与其块体单晶值接近，且空间分布均匀。基于不同功函数的单晶金属接触，研究团队在二硫化钼晶体管中实现了 n 型与 p 型导电行为的可控切换。根据肖特基势垒与金属功函数的关系，提取出的钉扎因子高达 0.92，表明单晶金属接触接近肖特基-莫特极限，远优于传统多晶金属接触。进一步的电学测量显示，使用单晶铋接触的单层二硫化钼 n 型晶体管实现了 36 欧姆·微米的接触电阻，开关比超过 10 的 10 次方，短沟道器件电流密度达到 1.31 毫安每微米。使用单晶钯接触的单层二硒化钨 p 型晶体管则实现了 145 欧姆·微米的接触电阻，开关比同样超过 10 的 10 次方，短沟道电流密度达到 1.1 毫安每微米。这些性能指标均接近或达到该领域的领先水平。此外，单晶金属接触还表现出更高的热稳定性。例如，单晶铋接触器件在温度升至约 705 开尔文时仍能保持工作状态，而多晶铋接触器件在约 510 开尔文即发生失效。

从研究结论来看，这项工作建立了一种简单且通用的逐步蒸镀方法，能够在无悬挂键的二维半导体表面直接生长单晶金属，从而克服传统金属化工艺带来的界面损伤和费米能级钉扎问题。该方法不仅适用于多种金属和二维材料，还为实现超薄、低电阻和热稳定的金属接触提供了新的技术路径。其科学价值在于揭示了一个通过动力学调控实现二维材料上范德华外延生长的窗口，为二维电子器件的接触工程提供了新的设计原则。应用价值则体现在该方法与现有半导体工艺兼容性较强，有望推动二维半导体从实验室演示走向可扩展制造。该研究的亮点包括：首次在二维半导体上直接外延生长多种单晶金属，提出原子级逐步蒸发的独特工艺策略，以及系统性证明单晶金属接触在降低接触电阻、抑制费米能级钉扎和提升热稳定性方面的综合优势。