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我室在n型单层黑磷电输运性质研究方面取得新进展

近日,我室徐文研究员课题组在n型单层黑磷的电子迁移率理论研究方面取得重要进展,相关结果发表在物理评论B上(Physical Review B 95, 115436(2017))。

黑磷作为新型的二维材料,具有优越的物理性质。与零带隙的石墨烯相比,黑磷的带隙可以从体材料的0.3eV随着层数的减少变成单层的2eV,而且开关比可达到105。与二硫化钼相比,块体和单层的黑磷都是直接带隙,说明黑磷在光电器件方面具有较大应用前景。而且,黑磷在室温下的空穴迁移率可达到103cm2/Vs远远大于二硫化钼。目前,实验上已经测得了黑磷电子迁移率,但是关于单层黑磷电子迁移率的理论研究工作还比较少,缺少简单且容易处理的理论解析模型。

在该工作中,博士生韩方微采用严格的能量色散关系Model I和简化的能量色散关系Model II计算单层黑磷的电子态密度、费米能级、屏蔽长度和电子迁移率。结果发现简化的能量色散关系能够较好的描述黑磷的这些物理性质。研究结果表明:(i)单层黑磷的电子迁移率具有较强的各向异性,x方向的电子迁移率μxx始终大于y方向的迁移率μyy(ii)随着电子密度ne的增加,两个方向的电子迁移率都增大,说明电子迁移率不仅与电子弛豫时间、有效质量有关,还与电子密度相关。从而也说明了电子迁移率可以通过门电压来调控。(iii) 在杂质密度为8.85×1012cm-2和电子密度为3.4×1012cm-2时,x方向的电子迁移率μxx125 cm2/Vs,这和实验数据完全吻合。该工作还研究了杂质浓度对黑磷电子迁移率的影响,研究发现随着杂质浓度的增加,电子受杂质散射作用增强导致了迁移率下降。该理论工作同样适用于研究p型黑磷,对黑磷场效应晶体管的设计具有重要参考意义。

        以上研究得到了国家自然科学基金和科学技术部项目的资助。

图1. (a)电子态密度随着电子能量变化行为。(b) 费米能级与电子密度关系。(c) 屏蔽长度与电子密度关系。实线和虚线分别为Model I 和Model II的计算结果。

图2. (a)杂质密度ni8.85×1012cm-2电子迁移率μxxμyy随电子密度变化行为蓝色点为实验数据(b) 杂质密度ni对电子迁移率的影响

[1] F. W. Han, W. Xu*, L. L. Li, C. Zhang, H. M. Dong, and F. M. Peeters, Electronic and transport properties of n-type monolayer black phosphorus at low temperatures, Physical Review B 95, 115436 (2017).

全文链接:https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.95.115436

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