UT Austin劉遠越?JACS：為什么二維金屬硫屬化物的載流子遷移率低？

【引言】

二維金屬硫屬化物由于其在晶體管、光電探測器以及光電化學能量轉換等方面的潛在應用引起了科研工作者的廣泛關注。這些材料通常只有幾個原子層的厚度，因此可通過電磁場以及光的作用，有效調節其材料內部的電荷傳輸。然而，單層的二維金屬硫屬化物往往具有較低的載流子遷移率并且在不同實驗條件下測量結果不盡相同，且通常在室溫下小于300 cm²V^-1s^-1。作為對比，硅和砷化鎵在室溫下其電子遷移率約為1400和8500?cm²V^-1s^-1?。這個顯著的差距極大的限制了二維金屬硫屬化物作為高遷移率半導體組件的應用，因此，充分理解遷移率限制因素以及找到較高遷移率二維半導體材料極其重要。

載流子遷移率的大小表征了電子和空穴被電場驅動時的輸運速度，其大小取決于材料內部的散射機制。本征遷移率由聲子散射所決定。形變勢理論被廣泛應用于計算材料的本征遷移率。然而，通常的形變勢理論只考慮了縱聲學聲子的散射。這些簡化使得形變勢理論給出的遷移率不夠準確甚至是錯誤的。要給出更為準確的遷移率，我們需要計算每一個散射過程的電聲子散射矩陣元。

【成果簡介】

?近日，JACS在線刊登了美國得克薩斯大學奧斯汀分校的程龍博士和劉遠越教授(通訊作者)發表的題為“What Limits the Intrinsic Mobility of Electrons and Holes in Two Dimensional Metal Dichalcogenides?”的文章?（J. Am. Chem. Soc.,?2018, DOI: 10.1021/jacs.8b07871）。此文利用密度泛函微擾理論和電聲子瓦尼爾插值得出電聲耦合矩陣，研究了一系列二維金屬硫屬化物的本征遷移率。研究發現，與常規認知不同，二維金屬硫屬化物的本征載流子遷移率既不與有效質量顯著相關，也不能通過廣泛使用的形變勢理論來評估。大多數二維金屬硫屬化物的遷移率取決于縱向光學(LO)聲子散射，而對于MoS₂和WS₂，其遷移率則取決于縱向聲學(LA)聲子散射。更進一步的研究表明，LO聲子散射強度與波恩有效電荷的大小密切相關，這預示著載流子傳輸受原子振動引起的電極化變化的影響很大。基于此發現，可以利用波恩有效電荷從二維金屬硫屬化物數據庫中快速篩選出可能具有高遷移率的半導體材料。

【圖文導讀】

圖一?利用電聲子矩陣得到的遷移率與帶隙以及有效質量沒有明顯的相關性，形變勢理論明顯的的錯誤預測了本征遷移率

H相和T相的MX₂的俯視圖和側視圖；

利用電聲子矩陣得到的遷移率與帶隙的關系圖；

利用電聲子矩陣得到的遷移率隨與效質量的關系圖；

利用電聲子矩陣得到的遷移率與形變勢理論預測的遷移率的關系圖。

圖二 一系列二維硫屬化物的遷移率

H相的MoS₂的模式分辨的聲子譜以及相應的LO和LA聲子支的振動模式；

一系列MX₂的LA， LO，LA+LO和總的遷移率。

圖三?一系列二維硫屬化物的遷移率以及波恩有效電荷

一系列MX₂的波恩有效電荷和LO-遷移率，插圖為第一性原理計算和解析公式給出的LO-遷移率；

總的電子遷移率與波恩有效電荷的關系，插圖為LO聲子振動模式對電極化的改變。

【小結】

本文基于電聲子矩陣，精確的計算了一系列二維硫屬化物的本征遷移率。與通常的看法不同，本征遷移率與有效質量沒有明顯的相關性，并且廣泛使用的形變勢理論并不能正確的預測遷移率。進一步的將對遷移率的貢獻分到每一支聲子模式后，研究發現對于大多數二維金屬硫屬化物，本征遷移率主要由LO支聲子主導，而對于MoS₂和WS₂，遷移率由LA支聲子主導。本文還推導了一個解析的公式，基于此公式計算出的LO支聲子的散射與第一性原理計算的LO支聲子的散射的結果吻合。基于解析公式的進一步分析發現LO支聲子的散射與波恩有效電荷有很強的相關性。本文最后還用波恩有效電荷快速篩選了二維硫屬化物數據庫來尋找具有高遷移率的材料。本工作揭示了控制二維金屬硫屬化物的物理因素，為發現高遷移率材料提供了有效的描述符。并且為預測二維材料的遷移率提供了一個有效的范式，從而為二維材料的發展邁出了關鍵的一步。

文獻連接：What Limits the Intrinsic Mobility of Electrons and Holes in Two Dimensional Metal Dichalcogenides??(J. Am. Chem. Soc.,?2018, DOI: 10.1021/jacs.8b07871)

導師簡介：

Yuanyue Liu group link: https://sites.utexas.edu/yuanyue-liu/

劉遠越課題組主要從事低維/能源/電子材料的理論和計算研究。以獨立第一作者或通訊作者身份在Nature Energy, PNAS, Science Advances, JACS, Angew., PRL, Nano Letters, ACS Nano等雜志上發表多篇文章。

本文由材料人編輯部Alisa編輯，材料牛整理。

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