Direct Visualization of Metal-Induced Gap State Distribution and Valley Band Evolution at Metal Versus Semimetal MoS2 Interfaces
Yi-Feng Chen, Hung-Chang Hsu, Hao-Yu Chen, Liang-Yu Chen, Yan-Ruei Lin,
Ming-Yang Li, Iuliana P. Radu, and Ya-Ping Chiu
ACS Nano 2025, 19, 20, 19408–19416
國立臺灣大學 物理系 邱雅萍特聘教授
二維半導體因其原子等級薄的晶格結構與獨特能帶特性，被視為次世代電子與光電元件的關鍵材料。然而，以二維半導體為基底的元件中，金屬與二維材料接觸的介面處，接觸電阻偏高與能帶調變複雜等問題，限制元件效能的發揮。本研究聚焦於金屬與二維材料接觸介面處，金屬誘發能隙態（metal-Induce gap state，MIGS）與谷能帶調變（valley band modulation）兩大關鍵機制，探討金屬與二維半導體介面的層間軌域耦合，首次以具原子解析的穿隧顯微鏡/能譜術（scanning tunneling microscopy/spectroscopy, STM/S），系統性比較金屬(金, Au)、半金屬(鉍, Bi)，個別與二維半導體(二硫化鉬, MoS2)接觸介面處能帶行為探討。
本工作以二硫化鉬(MoS2)為代表性二維半導體材料，並分別搭配具有強層間軌域耦合代表的金屬Au(111)及弱層間軌域耦合代表的半金屬Bi(111)基板，以STM/S捕捉介面能帶中金屬誘發能隙態(MIGS)衰減行為及能谷散射變化。研究成果發現，MoS2/Au(111)系統的金屬誘發能隙態(MIGS)分布涵蓋整個MoS2能隙，伴隨明顯的Q能谷結構破壞，顯示其具強烈層間耦合，從MoS2導帶(conduction band)最小值位置顯現出該系統具有約0.51 eV的蕭特基能障(Schottky barrier)導致高接觸電阻；MoS2/Bi(111)系統則呈現金屬誘發能隙態(MIGS)遠離MoS2導帶(conduction band)最小值且Q能谷結構完整、高載子濃度等特性，顯示弱層間耦合與能隙態飽和現象，有助於提升接觸電性表現，揭示金屬誘發能隙態(MIGS)與谷能帶調變對金屬/半導體接觸之電性效能關鍵影響，進一步理解半金屬如鉍(Bi)成為優異接觸材料的物理機制。此工作為優化二維半導體接觸機制提供嶄新視角，對未來二維材料元件設計具有重要意義。