中科院半導體所魏鐘鳴研究員Adv. Funct. Mater.：一種新型2D元素半導體——黑砷及其厚度依賴輸運特性

【引言】

二維（2D）元素層狀晶體，如石墨烯、黑磷（B-P）等由于其豐富的物理化學性質，已經得到了研究人員的極大關注。而在實際的電子器件應用中，石墨烯雖然具有極高的電子遷移率，但缺少邏輯器件所必需的帶隙；作為一種替代材料，B-P的載流子遷移率可高達1000 cm² V^-1 s^-1，然而B-P不太穩定，在室溫大氣環境下會快速降解。
黑砷（B-As），作為B-P的“表親”，其與B-P具有相似的結構構型，預計也應具有優異的物理和化學性能。理論預測表明，B-As的電子能帶結構具有很強的層數依賴性：塊體層狀B-As是一種直接帶隙半導體，其帶隙值大約為0.3 eV；而單層B-As是一種間接帶隙半導體，其帶隙值約為1-1.5 eV。此外，研究人員預測少層B-As也具有高的載流子遷移率，這些優異的物理性質使其成為應用于微納電子器件領域的一種候選材料。然而，迄今為止，黑砷晶體的實驗報道還非常少，其晶體合成仍面臨著巨大挑戰。今年，美國加州大學伯克利分校的吳軍橋教授團隊，率先報道了二維黑砷的優異物理特性和潛在器件應用，特別是比黑磷更加明顯的面內各向異性（Adv. Mater. 2018, 30, 1800754.）。

【成果簡介】

近日，中科院半導體研究所的魏鐘鳴研究員（通訊作者）等人通過利用黑砷的天然礦，制備出單層和少層砷基場效應晶體管（FETs），并系統研究了電場調控下載流子輸運特性。發現二維B-As基場效應晶體管的性能很大程度上取決于晶體的厚度，與其他層狀材料相比，在少層B-As FETs中可以實現較大的開關電流比以及相對較高的載流子遷移率；此外，B-As晶體也表現出相對良好的環境穩定性，少層砷基FET在空氣中暴露一個月后仍能正常工作。該成果以題為“Thickness-Dependent Carrier Transport Characteristics of a New 2D Elemental Semiconductor: Black Arsenic”發表于著名材料期刊Adv. Funct. Mater.。

【圖文導讀】

圖一 b-As晶體的表征

（a）具有層狀特性的b-As晶體結構模型
（b）單層和多層b-As薄片的顯微拉曼光譜
（c、d）b-As晶體的HRTEM和選區電子衍射（SAED）圖像

圖二 單層b-As場效應晶體管的表征

（a）單層b-As場效應晶體管的截面示意圖
（b）單層b-As場效應晶體管的AFM圖像
（c）不同漏源電壓下（從-0.01到-1 V）單層器件的輸運特性（I_ds-V_g），其左側是對數刻度，右側是線性刻度
（d）不同柵極電壓下（0到-20 V）器件的輸出特性

圖三 b-As場效應晶體管載流子輸運與厚度及溫度之間的相關性

（a）在V_ds為-0.5 V時，b-As的載流子遷移率及開關電流比與材料厚度之間的函數關系曲線
（b）三種代表性厚度（4.6、8.9和14.6 nm）的砷基場效應晶體管的輸運特性，插圖表示厚度為14.6 nm樣品的輸出特性
（c）不同溫度下厚度為9.5 nm的b-As場效應晶體管的輸運特性（I_ds-V_g）
（d）載流子遷移率隨溫度的變化關系，在溫度約為230 K處載流子遷移率出現峰值，為52 cm² V^-1 s^-1，在低溫區域，載流子遷移率主要受限于雜質散射，在高于230 K的區域，載流子遷移率隨著溫度的升高而快速降低，其變化關系可由μ∝T^-α表示，其中α≈0.3，這是由于在該溫度區域內晶格散射占主導地位

圖四 b-As器件的環境穩定性

（a）少層b-As晶體管的漏源I-V特性與環境暴露時間之間的關系，可以看出26天后，晶體管仍保持良好的歐姆接觸性能
（b）晶體管的輸運性能隨暴露時間的變化關系
（c）該晶體管的載流子遷移率和開關電流比與暴露于空氣中的時間之間的函數關系，隨著暴露時間的增加，該晶體管的遷移率從26 cm² V^-1 s^-1非線性降低至約為8.4 cm² V^-1 s^-1，而開關電流比卻從69增加至約為97，對于該場效應晶體管，砷的厚度為11.9 nm，溝道長≈2 μm，溝道寬≈2 μm
（d）b-As中的氧含量與暴露于空氣的時間之間的函數關系，該數值取自HAADF STEM-EDX結果

圖五 少層b-As的電子性質

（a）單層原子結構和相關布里淵區的俯視圖
（b）理論計算的單層黑砷的電子能帶結構
（c、d）CBM和VBM的電荷分布
（e）黑砷的帶隙變化與層厚之間的函數關系

【小結】

本文制備出機械剝離的單層和少層b-As基場效應晶體管并詳細地研究了它們的電學性質。研究發現其性能與材料厚度有直接關系，當樣品厚度約為5.7 nm時所得載流子遷移率最高，可達59 cm² V^-1 s^-1，當樣品厚度約為4.6 nm時所得開關電流比最高，可達>10⁵。載流子遷移率的溫度依賴性研究表明載流子遷移率的峰值出現于230 K處，低于230 K時，載流子主要受限于雜質散射的影響，而晶格散射在高溫下占主導地位。此外，b-As擁有相對良好的環境穩定性，這對其實際應用至關重要。該研究結果表明少層b-As基FETs是一種有望應用于多功能微納電子器件的候選材料。

【通訊作者及團隊介紹】

（1）團隊介紹
魏鐘鳴，中國科學院半導體研究所，半導體超晶格國家重點實驗室研究員、博士生導師，兼任中國科學院大學崗位教授。2015年入選中國科學院“百人計劃”，2016年獲得優秀青年科學基金。長期從事新型低維半導體材料的制備及其光電功能器件的研究，近年來在二維原子晶體和分子晶體的構筑及器件輸運性能探索等方面取得了一系列進展。已經發表SCI論文90多篇，以第一或通訊作者發表論文50多篇，其中包括Nat. Commun.; Adv. Mater.; J. Am. Chem. Soc.; ACS Nano; Adv. Funct. Mater.等國際知名期刊。
（2）團隊在該領域工作匯總
團隊近年來，在新型二維半導體的制備和功能器件應用方面，進行了深入探索，主要的進展包括：（1）探索新型二維半導體的生長、獨特物理性能與器件應用，實現了二維GeSe在短波近紅外區的高效偏振光探測（J. Am. Chem. Soc. 2017, 139 (42), 14976-14982.），獲得具有相變功能的二維半導體Cu₂S（Adv. Mater. 2016, 28 (37), 8271-8276.），通過簡單的直接生長方法獲得了二維半導體異質結Bi₂S₃/MoS₂和SnS₂/MoS₂（ACS Nano 2016, 10 (9), 8938-8946; Adv. Electron. Mater. 2016, 2 (11), 1600298.）；（2）探索二維半導體的磁性摻雜，通過Fe摻雜SnS₂獲得了具有鐵磁特性的二維半導體（Nat. Commun. 2017, 8, 1958.），成功將磁性Co元素摻入MoS₂形成高質量二維合金（ACS Nano 2015, 9 (2), 1257-1262.）。最近，團隊還發表題為“Various Structures of Two-Dimensional Transition Metal Dichalcogenides and Their Applications”的綜述文章（Small Methods 2018, DOI: 10.1002/smtd.201800094），總結了近年來二維過渡金屬硫族化合物及其合金和異質結的相關研究工作，分析了這三類體系晶體堆積、合成與制備方法、能帶結構和物理性能，并簡要介紹了他們在各類光電器件方面的應用。

文獻連接：Thickness‐Dependent Carrier Transport Characteristics of a New 2D Elemental Semiconductor: Black Arsenic（Adv. Funct. Mater., 2018, DOI: 10.1002/adfm.201802581）

本文由材料人編輯部計算材料組杜成江編譯供稿，材料牛整理編輯。

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