一种新型2D元素半导体-黑砷及其厚度依赖输运特性

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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.）。

近日，中科院半导体研究所的魏钟鸣研究员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.。

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-1s-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。

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。