英文原题：High-Performance p-Type Field-Effect Transistor Based on WS2 Monolayer Prepared by Liquid-Phase-Assisted Space-Confined CVD
通讯作者：冯丽萍（西北工业大学）
作者：Xiao Yu, Li-ping Feng,* Lingfeng Jia, Xin Zhang, Yunjia Huang, Pengfei Liu, Xitong Wang, Yulong Yang, Dongming Sun, and Ting Yu
在二维半导体向亚纳米制程冲刺的当下，过渡金属硫族化合物（TMDCs）因其原子级厚度与可调控带隙被视为“后硅时代”明星材料，然而主流WS2器件始终受困于n型导电与低迁移率，难以构建互补型逻辑器件。西北工业大学冯丽萍教授团队提出“液相辅助空间限域化学气相沉积（LASCVD）+机器学习”双轮驱动策略，在不引入任何外来掺杂剂的前提下，一步合成出475 μm 的p型WS2单晶，并由此构筑高性能场效应晶体管，空穴迁移率高达46.87 cm2/V•s，开关比 105，稳定性与重复性俱佳，为二维 CMOS 集成提供了全新思路。
图1. （a）通过LASCVD法生长WS2纳米片的示意图；（b）空间限制法中SiO2/Si堆叠的示意图；（c）本实验中使用的机器学习流程图；（d-e）GBDT回归中WS2纳米片的MDS和NN指标特征重要性：（d）MDS；（e）NN；（f）根据GBDT回归的优化图。生长参数已优化两次。两个指标分别是NN（横坐标）和MDS（纵坐标）；（g）通过CVD合成的纳米片在优化前后的代表性OM图像。未优化的OM图像（图的顶部），一次迭代优化后的OM图像（图的中部），以及两次迭代优化后的OM图像（图的底部）。
图1直观展示了LASCVD的独特之处：氨水与WO3前驱体在液相中形成配位络合物，熔点骤降，反应温度窗口被拉宽；随后SiO2/Si 衬底堆叠出仅100 μm的狭缝空间，抑制湍流与副反应，确保单层厚度均匀、晶界笔直。更关键的是，该团队将机器学习嵌入工艺优化循环：78组正交实验涵盖氩气流速、硫温、升温速率等8个参数，以最大晶畴尺寸（MDS）和单位面积形核数（NN）为输出，利用GBDT模型抽丝剥茧，发现氩气流速与硫加热温度对MDS贡献最大，而前驱体浓度与氩气流速共同决定NN。经过两轮迭代后，各工艺参数被优化，光学显微镜照片中晶畴由最初的“星罗棋布”变为“一镜到底”，视场中呈现475 μm的单晶WS2，为后续器件制作提供了材料平台。
图2. WS2
单层纳米片的透射电子显微镜（TEM）表征：（a）WS2单层纳米片的低倍率 TEM 图像；（b）高分辨率TEM图像；（c）微区的高分辨率TEM放大图像；插图是Fourier变换图像；（d）选区电子衍射（SEAD）图像；（e-g）不同功率下WS2单层的光致发光（PL）光谱及其解卷积拟合：（e）50 μW；（f）100 μW；（g）200 μW；（h-j）WS2纳米片中含有的元素：（i）W元素；（j）S元素；（k-l）WS2单层纳米片的X射线光电子能谱（XPS）表征：（k）W的窄扫描光谱；（l）S的窄扫描光谱；（m-n）WS2单层纳米片的高角度环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）图像：（m）大面积STEM图像；（n）图（m）中黄色框的放大图像。
图2是WS2的多维度表征。球差校正高角环形暗场扫描透射电镜（HAADF-STEM）在原子尺度下捕捉到W空位亮点——原本应呈蜂窝状排布的W原子阵列中突然出现“黑洞”，缺失比例经统计约为7%，对应的W:S原子比为0.89:2；X射线光电子能谱（XPS）窄扫同样未见 WO3杂质峰，却清晰分辨出W 4f与S 2p的化学位移。变功率光致发光光谱（PL）进一步揭示了空位的电子学效应：在50 μW、100 μW、200 μW三种激发功率下，中性激子（XA）峰的占比始终高于文献报道的n型WS2中的XA峰，表明WS2晶体内部空穴浓度占优；缺陷态DTA峰的出现则直接对应W空位在带隙中引入的受主能级。拉曼光谱中LA(M)峰强度的增强也佐证了缺陷的存在。密度泛函理论计算显示，当4×4超胞中移除一个W原子后，价带顶附近出现局域杂质态，费米能级下移，空穴成为多数载流子，且随着空位浓度增加，价带顶能量进一步降低，空穴输运势垒持续减小。
图3.（a）测试器件的光学显微镜图像；（b）测试电路图；（c-f）基于WS2的场效应晶体管的特性曲线：（c）不同VGS电压下的输出特性曲线；（d）不同VDS电压下的转移特性曲线；（e）不同VDS下的半对数坐标转移特性曲线；（f）迁移率和开/关比的统计。
该团队以p型WS2为有源层，制备了场效应晶体管。电学测试结果如图3所示。输出特性曲线在不同栅压下均呈线性，证实了W
S2与电极的接触电阻很低；转移特性曲线随栅压负向扫描电流陡增，阈值电压左移，呈现p型开关特性。统计6批次50余个器件，最高值达46.87 cm2/V•s，开关比稳定在105量级，空气中存放30天性能衰减<5%，远优于此前通过化学掺杂、界面电荷转移或静电调控获得的p型 WS2。与掺杂相比，本工作制备的p型 WS2，其空穴迁移率提升2–3倍，且无需掺杂剂引入额外散射中心，工艺更为简洁、可控、可扩展。
从机理到工艺再到器件，该研究以“空位工程”取代“杂质工程”，让缺陷成为性能增益而非累赘。机器学习精准锁定生长窗口，空间限域抑制副反应，液相络合降低反应能垒，三位一体协同放大W空位效应，最终实现大面积p型WS2的可控制备。该制备工艺不仅适用于WS2，对MoS2、WSe2等其他TMDC的制备具有重要的指导意义，为构建低功耗、柔性、互补型逻辑器件提供了坚实的材料与工艺基石。
相关研究成果发表在ACS Materials Letters，该项研究工作由西北工业大学、中国科学院金属研究所、武汉大学共同完成，西北工业大学为第一完成单位，冯丽萍教授担任本论文的通讯作者。作者感谢国家重点研发计划（2021YFA1200800）、国家自然科学基金（62375227）和陕西省自然科学基础研究计划项目（2025JC-QYCX-059）的资助。
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High-Performance p-Type Field-Effect Transistor Based on WS2 Monolayer Prepared by Liquid-Phase-Assisted Space-Confined CVD
Xiao Yu, Li-ping Feng,* Lingfeng Jia, Xin Zhang, Yunjia Huang, Pengfei Liu, Xitong Wang, Yulong Yang, Dongming Sun, and Ting Yu
ACS Materials Lett. 2025, 7, 8, 2749–2757
https://doi.org/10.1021/acsmaterialslett.5c00566
Published July 1, 2025
Copyright © 2025 American Chemical Society
（本稿件来自ACS Publications）
