中國科大在黑磷低維原子晶體中實現高遷移率二維電子氣

　　近日，中國科學技術大學教授陳仙輝課題組與復旦大學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高遷移率二維電子氣。相關研究成果發表在5月18日的《自然·納米科技》上。

　　2014年5月，陳仙輝課題組與復旦大學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體材料——黑磷的二維場效應晶體管（Nature Nanotech. 2014, 9, 372-377），其漏電流調制幅度在105量級上，I-V特征曲線展現出良好的電流飽和效應。這一工作引起國際學術界廣泛關注，《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，具有二維層狀結構、可調控的直接帶隙和較大各向異性的半導體材料，以其眾多特殊的電學和光學性能，迅速成為低維材料領域的研究熱點。

　　近期，兩個研究組在前一工作的基礎上，通過改進生長方法提高黑磷晶體質量以及應用薄層六方氮化硼（h-BN）作為襯底，成功將薄層黑磷場效應晶體管中的載流子遷移率繼續提升一個量級。目前在低溫下電場誘導的空穴載流子和電子載流子的霍耳遷移率已經分別達到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量，以及量子振蕩周期與場誘導載流子密度和磁場矢量方向的關系，證明黑磷場效應管中的高遷移率載流子系統具有明顯的二維特征。相關理論計算則表明黑磷場效應管當中的導電通道局限在距離黑磷和襯底的界面2nm以內的狹窄量子阱當中，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。實驗與理論結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產生的二維高遷移率電子氣，其最佳遷移率已經達到在電子學領域中可以應用的水平。這標志著薄層黑磷已經成為又一種能夠用于制備高遷移率電子元件，并擁有廣泛應用前景的二維材料。

　　上述研究得到國家自然科學基金委、國家重點基礎研究發展計劃和中國科學院戰略性先導B科技專項的資助。

　　圖示：（左）基于薄層黑磷的高遷移率場效應管示意圖，（右）空穴（綠）和電子（藍）霍爾遷移率隨溫度的變化關系。