材料何軍Adv.Mater.揭示范德華雙極半導(dǎo)體傳導(dǎo)行為

1、第 PAGE6 頁 共 NUMPAGES6 頁【引言】原子級薄范德華半導(dǎo)體(vdWS)作為新一代光電器件的良好材料而備受關(guān)注。然而，在不同 vdWS 中仍然存在爭議的基本問題是其傳導(dǎo)行為的真實(shí)起(如傳導(dǎo)類型)。由于 vdWS 的原子級薄的厚度以及未經(jīng)摻雜，難以利用傳統(tǒng)半導(dǎo)體理論解釋這一問題。特別是雙極傳導(dǎo)行為，即電子在正柵極偏壓(n 極性)下傳輸，空穴在負(fù)偏壓(p 極性)下傳輸，已在許多 vdWS 中觀察到，例如 MoTe 2 、WSe 2 和黑磷。然而，雙極性 vdWS 的傳導(dǎo)行為的潛在機(jī)理仍然難以捉摸。到目前為止，已經(jīng)在許多新材料中觀察到雙極行為，如碳納米管(CNT)。然而，對于像 CNT

2、 這樣的極低維系統(tǒng)，觸點(diǎn)可能主導(dǎo)傳輸行為。例如，研究人員已發(fā)現(xiàn) CNT 用于肖特基勢壘場效應(yīng)晶體管(SBFET)，其中雙極傳導(dǎo)主要來自電子和空穴通過觸點(diǎn)處的肖特基勢壘注入。最近，研究人員將 SBFET 模型用于分析p 黑磷基晶體管，并且發(fā)現(xiàn)能夠解釋其雙極傳導(dǎo)特征。但是這一模型是否可以推廣到其他 vdWS 仍然懸而未決?！境晒喗椤拷?，員 國家納米科學(xué)中心何軍研究員( 通訊作者)等 等從分析p 和理論上對雙極性 vdWS 的傳導(dǎo)行為進(jìn)行了研究，并在 Adv.Mater.上發(fā)表了題為“Uncovering the Conduction Behavior of van der Waals Ambi

3、polar Semiconductors”的研究論文。數(shù)值模擬結(jié)果表明肖特基勢壘場效應(yīng)晶體管(SBFET)模型可以完全解釋雙極性 vdWS?；谏鲜鼋Y(jié)果，作者發(fā)現(xiàn)在改變層厚的同時廣泛觀察到的導(dǎo)電極性轉(zhuǎn)變主要來自金屬/vdWS 界面處的能帶對準(zhǔn)的調(diào)諧。通過在 vdWS 和基板之間引入惰性 hBN 層，可以抑制/反轉(zhuǎn)這種轉(zhuǎn)變。通過第一性原理計算，證明金屬/vdWS/襯底相互作用在調(diào)整肖特基勢壘高度中起著至關(guān)重要的作用，最終決定了雙極性 vdWS 表現(xiàn)出的傳導(dǎo)行為?！緢D文導(dǎo)讀】圖 圖 1 以 以 MoTe 2 2 器件為例驗(yàn)證 T SBFET 模型a) 在室溫下測量的 MoTe 2 器件的漏極電流-

4、柵極電壓特性曲線(紅色空心圓)，藍(lán)線表示根據(jù) SBFET 模型的模擬結(jié)果，內(nèi)插為該裝置的相應(yīng)光學(xué)顯微鏡圖像，三種不同電荷載流子注入模式標(biāo)記為i-iii ； b) 不同柵極電壓范圍下的能帶示意圖，其中黃色方塊、紅色和藍(lán)色 球 分 別 代 表 金 屬 觸 點(diǎn) 、 電 子 和 空 穴 ； c) V GS =80 V、30 V、0 V 和-80 V 時 ln(I DS /T 3/2 )和 1000/T 之間的 關(guān) 系 ； d) 不同柵極電壓下的某一接觸端子處的能帶示意圖。圖 圖 2 M oTe 2 2 /WSe e 2 2 基 基 T SBFET 隨厚度變化的傳導(dǎo)行為a,c) 不同層數(shù)的 MoTe 2

5、 和 WSe 2 的漏極電流密度-有效柵極電壓特性曲線(空心圓)，實(shí)線為根據(jù) SBFET 模型的相應(yīng)模擬結(jié)果；b,d) 抽取的 MoTe 2 和 WSe 2 的本征肖特基勢壘高度隨層數(shù)的變化。圖 圖 3 完全置于 N hBN 上的 MoTe 2 2T SBFET 電子特性a) 單 層 MoTe 2 置 于 厚 hBN 上 器 件 的 光 學(xué) 顯 微 鏡 圖 像 ； b) 0.1、0.3 和 0.5 V 偏壓下的漏極電流密度-柵極電壓曲線(空心點(diǎn) ) ， 實(shí) 線 為 根 據(jù) SBFET 模 型 的 模 擬 結(jié) 果 ； c) 不 同 柵 極 電 壓 下 的 漏 極 電 流 - 偏 壓 關(guān) 系 ；

6、d) 不同的柵極電壓下 ln(I DS /V DS 3/2 )和 1/V DS 之間的關(guān)系； e) 偏壓范圍為 0.13 V 時 ln(I DS /T 3/2 )與 1000/T 的 Arrhenius 曲線 ； f) 在小(上)和大(下)偏壓下的能帶示意圖。圖 圖 4 接觸條件對 MoTe 2 2 和 和 WSe 2 2T SBFET 電子性能的影響a) 具有 SiO 2 (頂部)和 hBN(底部)接觸區(qū)域的器件示意圖，其中紅色和淺藍(lán)色實(shí)心圓圈代表電子和空穴，黃色、綠色、深藍(lán)色和粉紅色球分別代表硫?qū)僭?Te 或 Se)、過渡金屬(Mo 或 W)、B 和N 元 素 ； b) 不同偏壓下，Mo

7、Te 2 器件在 SiO 2 上的全部(實(shí)線)和溝道部分( 虛 線 ) 的 漏 極 電 流 密 度 - 柵 極 電 壓 特 性 曲 線 ； c) 不同偏壓下，WSe 2 器件在 SiO 2 上的全部(實(shí)線)和溝道部分(虛線)的漏極電流密度-柵極電壓特性曲線。圖 圖 5 襯底對 MoTe 2 2 肖特基勢壘影響的 T DFT 計算a) MoTe 2 /Cr 和 Cr/MoTe 2 /SiO 2 系統(tǒng)的原子結(jié)構(gòu)，其中虛線表示模擬單元，頂部和底部為相應(yīng)系統(tǒng)的頂視圖，中部為側(cè)視圖； b) MoTe 2 /Cr 系 統(tǒng) 和 原 始 MoTe 2 的 能 帶 結(jié) 構(gòu) ； c) Cr/MoTe 2 /SiO

8、 2 系 統(tǒng) 和 原 始 MoTe 2 的 能 帶 結(jié) 構(gòu) ； d) 在 hBN(頂部)和 SiO 2 (底部)上具有接觸區(qū)域的器件電荷注入示意圖，其中紅色和藍(lán)色箭頭分別表示電子和空穴的注入?！拘〗Y(jié)】綜上所述，作者通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬相結(jié)合，已經(jīng)證明了包括 MoTe 2 和 WSe 2 的 vdWS 的雙極傳導(dǎo)行為可用 SBFET 模型完全解釋，其中總電流由電子和空穴分支組成，對于其中任一支，隧道效應(yīng)和熱電子發(fā)射都可以根據(jù)能帶彎曲條件(即有效的肖特基勢壘高度)做出貢獻(xiàn)。之后作者使用該模型來解釋降低層厚同時雙極 vdWS 的傳導(dǎo)極性轉(zhuǎn)換現(xiàn)象(從 n 主導(dǎo)到 p 主導(dǎo)或甚至純“p型”)。這一轉(zhuǎn)變顯然是因?yàn)殡娮雍涂昭ㄖg的固有肖特基勢壘高度比的增加(q phi;iBe / phi;iBh )。然而，將 vdWS 完全或部分(僅接觸區(qū)域)置于惰性 hBN 層上可抑制這種轉(zhuǎn)變。通過從頭計算，作者證實(shí)金屬/ vdWS /襯底之間的相互作用決定了肖特基勢壘高度，進(jìn)而決定了SBFET 表現(xiàn)出的傳導(dǎo)行為。該工作不僅對雙極性 vdWS 的傳導(dǎo)極性調(diào)制進(jìn)行了一般性的解釋，而且還有助于重新考慮相關(guān)領(lǐng)域中觀