金属是日常生活中最常见的材料之一。在电子学领域，金属与半导体、绝缘材料共同构成了现代信息技术的物质基础。长期以来，针对半导体器件的性能提升，研究人员往往更重视高质量单晶半导体的制备与工艺优化，而对金属材料自身的单晶性关注相对不足，常将其视为仅承担导电和电信号传输的材料。事实上，随着器件尺寸不断逼近物理极限，整个器件体系的原子有序性逐渐成为制约性能提升的瓶颈，金属的单晶性也变得愈发重要。它不仅影响金属—半导体界面的原子有序度，由晶界散射引起的电阻升高、原子失配对载流子输运的阻碍、以及空间电势分布不均等微观效应，均会制约器件宏观性能的提升。因此，发展原位制备单晶金属的方法，将金属结构的有序性提升至与半导体单晶相匹配的水平，是将器件性能推向极致的关键之一。
针对这一挑战，复旦大学光电研究院褚君浩院士/王建禄教授团队提出了一种单晶金属薄膜原位分步蒸镀技术（Step-Eva）。利用热蒸发设备交替进行原子级低剂量沉积与间歇停顿，即可直接制备单晶金属。其核心在于探索了一种新的时间域解耦弛豫外延机制，该机制能够有效降低金属成核密度、提高原子扩散长度、增强晶畴的横向生长与并合，从而为单晶金属生长提供一条全新的动力学路径，实现金属原子的有序排列和单晶生长。整个制备过程如同叠“俄罗斯方块”，每一步都为金属原子留出充分的“调整”和“归位”时间，从而突破传统连续沉积中成核与扩散的竞争限制。如图1所示，以金属铋（Bi）为例，该方法能够在二维半导体表面原位制备出长程有序、晶向一致、大面积的单晶金属Bi。
图1. 机制：Step-Eva技术单晶金属生长机制，单晶Bi例证
Step-Eva技术具有普适性，研究人员完成了Bi、Ag、In、Au和Pd等多种单晶金属的高质量制备。所制备的单晶金属也能够与各类单晶半导体形成原子级平坦、洁净且高度有序的界面，具有标准、稳定且空间均一的功函数，以及极小的空间电势分布波动（图2）。基于此，采用单晶金属接触的二维半导体器件表现出显著减弱的费米能级钉扎、接近理想的肖特基-莫特行为和超低的接触电阻。所构筑的N型和P型晶体管开关比均超过1010，且在沟道长度缩短至50 nm时，器件的开态电流均超过1.1 mAμm-1，N型和P型晶体管的接触电阻分别低至36 Ω·μm和145 Ω·μm，展现出优异的载流子注入与输运性能。
图2. 普适性：多种单晶金属生长、功函数及N型、P型器件性能
此外，单晶金属还展现出良好的线宽微缩能力，超薄厚度下依然保持连续导电，以及显著增强的热稳定性。这些特点有望支撑未来电子与光电集成系统实现极致微缩、高度集成与原子级制造，也是信息技术硬件迈向高密度、低功耗的重要材料基础。
相关成果以“Direct evaporation of single-crystal metal contacts for 2D semiconductors”为题，发表在Science期刊。博士研究生张莹为论文的第一作者，原中国科学院上海技术物理研究所博士后，现湖南大学柳畅副教授为论文的共同第一和共同通讯作者，中国科学院上海技术物理研究所王旭东青年研究员、湖南大学廖蕾教授、新加坡国立大学Lain-Jong Li教授、复旦大学王建禄教授为论文的共同通讯作者。论文共同作者褚君浩院士、刘渊教授、邹旭明教授、孟祥建研究员、沈宏研究员、陈艳副研究员、伍帅琴副研究员等在研究中为本工作提供了重要指导、合作与支持，团队成员王慧婷、滕贵辰、赵倩茹、覃亦鲁、刁兆彪等也为本工作的顺利完成提供了重要支持。
该工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、复旦大学纳米信息科学创新支持中心项目、复旦大学鲲鹏暨升华人才培养中心等项目的支持与资助。
论文链接：10.1126/science.aee3132
