中國科大在黑磷低維原子晶體中實現(xiàn)高遷移率二維電子氣

 文章來源：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)                               發(fā)布時間：2015-05-21  

   近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授陳仙輝課題組與復(fù)旦大學(xué)教授張遠波課題組合作，繼去年首次制備出二維黑磷場效應(yīng)晶體管之后，再次在薄層黑磷晶體研究中取得新進展，成功在這一體系中實現(xiàn)高遷移率二維電子氣。相關(guān)研究成果發(fā)表在5月18日的《自然·納米科技》上。

　　2014年5月，陳仙輝課題組與復(fù)旦大學(xué)張遠波等課題組合作，成功制備出了基于納米量級厚度的直接帶隙元素半導(dǎo)體材料——黑磷的二維場效應(yīng)晶體管（Nature Nanotech. 2014, 9, 372-377），其漏電流調(diào)制幅度在105量級上，I-V特征曲線展現(xiàn)出良好的電流飽和效應(yīng)。這一工作引起國際學(xué)術(shù)界廣泛關(guān)注，《自然》和《自然·納米科技》先后對其進行了亮點介紹。黑磷作為一種單一元素組成，具有二維層狀結(jié)構(gòu)、可調(diào)控的直接帶隙和較大各向異性的半導(dǎo)體材料，以其眾多特殊的電學(xué)和光學(xué)性能，迅速成為低維材料領(lǐng)域的研究熱點。

　　近期，兩個研究組在前一工作的基礎(chǔ)上，通過改進生長方法提高黑磷晶體質(zhì)量以及應(yīng)用薄層六方氮化硼（h-BN）作為襯底，成功將薄層黑磷場效應(yīng)晶體管中的載流子遷移率繼續(xù)提升一個量級。目前在低溫下電場誘導(dǎo)的空穴載流子和電子載流子的霍耳遷移率已經(jīng)分別達到2,000 cm2 V-1 s-1和900 cm2 V-1 s-1，而空穴的場效應(yīng)遷移率在低溫下則高達3,900 cm2 V-1 s-1。遷移率顯著提升之后，強磁場下電阻的量子振蕩現(xiàn)象（舒布尼科夫-德哈斯振蕩）首次在黑磷材料中被成功觀測到。通過分析電子和空穴的回旋質(zhì)量，以及量子振蕩周期與場誘導(dǎo)載流子密度和磁場矢量方向的關(guān)系，證明黑磷場效應(yīng)管中的高遷移率載流子系統(tǒng)具有明顯的二維特征。相關(guān)理論計算則表明黑磷場效應(yīng)管當(dāng)中的導(dǎo)電通道局限在距離黑磷和襯底的界面2nm以內(nèi)的狹窄量子阱當(dāng)中，且絕大部分載流子的空間分布集中在距離界面兩個原子層之內(nèi)。實驗與理論結(jié)果一致表明在薄層黑磷和h-BN襯底的界面附近存在由外加電場誘導(dǎo)產(chǎn)生的二維高遷移率電子氣，其最佳遷移率已經(jīng)達到在電子學(xué)領(lǐng)域中可以應(yīng)用的水平。這標志著薄層黑磷已經(jīng)成為又一種能夠用于制備高遷移率電子元件，并擁有廣泛應(yīng)用前景的二維材料。

　　上述研究得到國家自然科學(xué)基金委、國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃和中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)B科技專項的資助。