中科院半导体所魏钟鸣研究员Adv. Funct. Mater.：一种新型2D元素半导体——黑砷及其厚度依赖输运特性

【引言】

二维（2D）元素层状晶体，如石墨烯、黑磷（B-P）等由于其丰富的物理化学性质，已经得到了研究人员的极大关注。而在实际的电子器件应用中，石墨烯虽然具有极高的电子迁移率，但缺少逻辑器件所必需的带隙；作为一种替代材料，B-P的载流子迁移率可高达1000 cm² V^-1 s^-1，然而B-P不太稳定，在室温大气环境下会快速降解。
黑砷（B-As），作为B-P的“表亲”，其与B-P具有相似的结构构型，预计也应具有优异的物理和化学性能。理论预测表明，B-As的电子能带结构具有很强的层数依赖性：块体层状B-As是一种直接带隙半导体，其带隙值大约为0.3 eV；而单层B-As是一种间接带隙半导体，其带隙值约为1-1.5 eV。此外，研究人员预测少层B-As也具有高的载流子迁移率，这些优异的物理性质使其成为应用于微纳电子器件领域的一种候选材料。然而，迄今为止，黑砷晶体的实验报道还非常少，其晶体合成仍面临着巨大挑战。今年，美国加州大学伯克利分校的吴军桥教授团队，率先报道了二维黑砷的优异物理特性和潜在器件应用，特别是比黑磷更加明显的面内各向异性（Adv. Mater. 2018, 30, 1800754.）。

【成果简介】

近日，中科院半导体研究所的魏钟鸣研究员（通讯作者）等人通过利用黑砷的天然矿，制备出单层和少层砷基场效应晶体管（FETs），并系统研究了电场调控下载流子输运特性。发现二维B-As基场效应晶体管的性能很大程度上取决于晶体的厚度，与其他层状材料相比，在少层B-As FETs中可以实现较大的开关电流比以及相对较高的载流子迁移率；此外，B-As晶体也表现出相对良好的环境稳定性，少层砷基FET在空气中暴露一个月后仍能正常工作。该成果以题为“Thickness-Dependent Carrier Transport Characteristics of a New 2D Elemental Semiconductor: Black Arsenic”发表于著名材料期刊Adv. Funct. Mater.。

【图文导读】

图一 b-As晶体的表征

（a）具有层状特性的b-As晶体结构模型
（b）单层和多层b-As薄片的显微拉曼光谱
（c、d）b-As晶体的HRTEM和选区电子衍射（SAED）图像

图二 单层b-As场效应晶体管的表征

（a）单层b-As场效应晶体管的截面示意图
（b）单层b-As场效应晶体管的AFM图像
（c）不同漏源电压下（从-0.01到-1 V）单层器件的输运特性（I_ds-V_g），其左侧是对数刻度，右侧是线性刻度
（d）不同栅极电压下（0到-20 V）器件的输出特性

图三 b-As场效应晶体管载流子输运与厚度及温度之间的相关性

（a）在V_ds为-0.5 V时，b-As的载流子迁移率及开关电流比与材料厚度之间的函数关系曲线
（b）三种代表性厚度（4.6、8.9和14.6 nm）的砷基场效应晶体管的输运特性，插图表示厚度为14.6 nm样品的输出特性
（c）不同温度下厚度为9.5 nm的b-As场效应晶体管的输运特性（I_ds-V_g）
（d）载流子迁移率随温度的变化关系，在温度约为230 K处载流子迁移率出现峰值，为52 cm² V^-1 s^-1，在低温区域，载流子迁移率主要受限于杂质散射，在高于230 K的区域，载流子迁移率随着温度的升高而快速降低，其变化关系可由μ∝T^-α表示，其中α≈0.3，这是由于在该温度区域内晶格散射占主导地位

图四 b-As器件的环境稳定性

（a）少层b-As晶体管的漏源I-V特性与环境暴露时间之间的关系，可以看出26天后，晶体管仍保持良好的欧姆接触性能
（b）晶体管的输运性能随暴露时间的变化关系
（c）该晶体管的载流子迁移率和开关电流比与暴露于空气中的时间之间的函数关系，随着暴露时间的增加，该晶体管的迁移率从26 cm² V^-1 s^-1非线性降低至约为8.4 cm² V^-1 s^-1，而开关电流比却从69增加至约为97，对于该场效应晶体管，砷的厚度为11.9 nm，沟道长≈2 μm，沟道宽≈2 μm
（d）b-As中的氧含量与暴露于空气的时间之间的函数关系，该数值取自HAADF STEM-EDX结果

图五 少层b-As的电子性质

（a）单层原子结构和相关布里渊区的俯视图
（b）理论计算的单层黑砷的电子能带结构
（c、d）CBM和VBM的电荷分布
（e）黑砷的带隙变化与层厚之间的函数关系

【小结】

本文制备出机械剥离的单层和少层b-As基场效应晶体管并详细地研究了它们的电学性质。研究发现其性能与材料厚度有直接关系，当样品厚度约为5.7 nm时所得载流子迁移率最高，可达59 cm² V^-1 s^-1，当样品厚度约为4.6 nm时所得开关电流比最高，可达>10⁵。载流子迁移率的温度依赖性研究表明载流子迁移率的峰值出现于230 K处，低于230 K时，载流子主要受限于杂质散射的影响，而晶格散射在高温下占主导地位。此外，b-As拥有相对良好的环境稳定性，这对其实际应用至关重要。该研究结果表明少层b-As基FETs是一种有望应用于多功能微纳电子器件的候选材料。

【通讯作者及团队介绍】

（1）团队介绍
魏钟鸣，中国科学院半导体研究所，半导体超晶格国家重点实验室研究员、博士生导师，兼任中国科学院大学岗位教授。2015年入选中国科学院“百人计划”，2016年获得优秀青年科学基金。长期从事新型低维半导体材料的制备及其光电功能器件的研究，近年来在二维原子晶体和分子晶体的构筑及器件输运性能探索等方面取得了一系列进展。已经发表SCI论文90多篇，以第一或通讯作者发表论文50多篇，其中包括Nat. Commun.; Adv. Mater.; J. Am. Chem. Soc.; ACS Nano; Adv. Funct. Mater.等国际知名期刊。
（2）团队在该领域工作汇总
团队近年来，在新型二维半导体的制备和功能器件应用方面，进行了深入探索，主要的进展包括：（1）探索新型二维半导体的生长、独特物理性能与器件应用，实现了二维GeSe在短波近红外区的高效偏振光探测（J. Am. Chem. Soc. 2017, 139 (42), 14976-14982.），获得具有相变功能的二维半导体Cu₂S（Adv. Mater. 2016, 28 (37), 8271-8276.），通过简单的直接生长方法获得了二维半导体异质结Bi₂S₃/MoS₂和SnS₂/MoS₂（ACS Nano 2016, 10 (9), 8938-8946; Adv. Electron. Mater. 2016, 2 (11), 1600298.）；（2）探索二维半导体的磁性掺杂，通过Fe掺杂SnS₂获得了具有铁磁特性的二维半导体（Nat. Commun. 2017, 8, 1958.），成功将磁性Co元素掺入MoS₂形成高质量二维合金（ACS Nano 2015, 9 (2), 1257-1262.）。最近，团队还发表题为“Various Structures of Two-Dimensional Transition Metal Dichalcogenides and Their Applications”的综述文章（Small Methods 2018, DOI: 10.1002/smtd.201800094），总结了近年来二维过渡金属硫族化合物及其合金和异质结的相关研究工作，分析了这三类体系晶体堆积、合成与制备方法、能带结构和物理性能，并简要介绍了他们在各类光电器件方面的应用。

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

本文由材料人编辑部计算材料组杜成江编译供稿，材料牛整理编辑。

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