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μ_xx始终大于y方向的迁移率μ_yy。(ii)随着电子密度n_e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μ_xx为125 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n_i为8.85×10¹²cm^-2，电子迁移率μ_xx和μ_yy随电子密度变化行为。蓝色点为实验数据。(b) 杂质密度n_i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