黑磷（B-P）由于其高的載流子遷移率，大開(kāi)/關(guān)比，其可調(diào)諧的能帶結(jié)構(gòu)吸引了人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注。與石墨烯相比，它被認(rèn)為是在光學(xué)電子設(shè)備中運(yùn)用的有希望的材料。但是，在大氣壓下B-P容易氧化，這樣將會(huì)妨礙其應(yīng)用在實(shí)際裝置中。為了改進(jìn)它的這一特性，研究發(fā)現(xiàn)合金化B-P是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，比如黑色砷磷合金顯示了可調(diào)帶隙，光學(xué)性能和良好的環(huán)境穩(wěn)定性。另一種方式是尋找新的替代材料黑砷(B-As)，作為B-P的表兄弟，它具有其類(lèi)似的結(jié)構(gòu)有的物理和化學(xué)性質(zhì)。

成果簡(jiǎn)介

   報(bào)道了一種新的元素二維材料：黑砷，將其應(yīng)用到場(chǎng)效應(yīng)晶體管中，展現(xiàn)出良好的性能。該文章以“Thickness-Dependent Carrier Transport Characteristicsof a New 2D Elemental Semiconductor: Black Arsenic”為題，發(fā)表在ADVANCED FUNCTIONAL MATERIALS上（DOI：10.1002/adfm.201802581）。

圖文導(dǎo)讀

圖一：b-As晶體的表征。（a）b-As的層狀晶體結(jié)構(gòu)；（ b）單層和多層b-As片的微拉曼光譜；（ c，d）b-As晶體的高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）和選區(qū)電子衍射（SAED）圖像。

圖二：單層b-As場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）的表征。（a）單層b-As FET橫截面；（b）單層b-As FET的原子力顯微鏡（AFM）圖像；（c）在不同漏源電壓（-0.01至-1 V）下，單層器件（如圖2b所示）的轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)（Ids-Vg），右邊是對(duì)數(shù)刻度，左邊是線(xiàn)性刻度；（d）在不同的柵極電壓從0到-20 V下，同一設(shè)備的輸出特性曲線(xiàn)。

圖三：b-As FET的載流子傳輸?shù)暮穸群蜏囟?/span>的依賴(lài)性。（a）在-0.5V的Vds下，b-As的載流子遷移率和開(kāi)/關(guān)比隨厚度的變化；（b）具有三種**厚度（4.6,8.9和14.6nm）砷FET的轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)。 插圖：14.6nm厚的樣品的輸出特性曲線(xiàn)；（c）在不同溫度下9.5nm厚的b-As FET的轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)（Ids-Vg）；（d）溫度對(duì)載流子遷移率的影響。 載流子遷移率在約230K時(shí)具有約52cm² V^-1s-¹的峰值。在低溫區(qū)域，載流子遷移率主要受雜質(zhì)散射的限制。高于230 K，載流子遷移率隨著溫度的升高以μαT^-α的形式迅速下降，其中α≈0.3。這是由于晶格散射在該溫度區(qū)域占主導(dǎo)地位。

圖四：b-As器件的環(huán)境穩(wěn)定性。（a）作為環(huán)境暴露時(shí)間的函數(shù)的少層b-As晶體管的源極 - 漏極I-V曲線(xiàn)。我們可以知道晶體管在26天后仍保持良好的歐姆接觸特性；（b）記錄26天，晶體管的轉(zhuǎn)移曲線(xiàn)；（c）載流子遷移率和開(kāi)/關(guān)比作為該晶體管的空氣暴露時(shí)間的函數(shù)。 隨著曝露時(shí)間的增加，該晶體管的遷移率呈非線(xiàn)性，從26 cm² V^-1 s^-1減小到約8.4 cm² V^-1 s^-1; 然而，ON / OFF比率從大約69增加到大約97.對(duì)于這個(gè)FET，厚度為砷為11.9nm，溝道長(zhǎng)度為≈2μm，溝道寬度分別為≈2μm；（d）b-As中氧的含量隨著曝光時(shí)間的變化而變化。

圖五：少層b-As中計(jì)算的電子特性。（a）單層和相關(guān)布里淵區(qū)原子結(jié)構(gòu)的俯視圖；（b）用PBE官能團(tuán)計(jì)算的單層黑砷的帶隙結(jié)構(gòu)；（c，d）CBM和VBM的部分電荷分布；（e）黑砷的帶隙變化作為層厚度的函數(shù)。

小結(jié)

總之，我們制備了單層和幾層基于b-As的場(chǎng)效應(yīng)晶體管。并詳細(xì)研究了它們的電性能。發(fā)現(xiàn)電子屬性與厚度有關(guān)，樣品的厚度約為5.7納米時(shí)，具有高載流子遷移率高達(dá)約59 cm² V^-1 s^-1，厚度約為4.6納米時(shí)，具有大開(kāi)/關(guān)比超過(guò)105。在溫度相關(guān)的載流子遷移率測(cè)量時(shí)，證明了在230K時(shí)觀察到峰值; 低于230 K，載流子遷移率主要受雜質(zhì)散射的限制，但晶格散射在高溫下占主導(dǎo)地位。更重要的是，b-As顯示出相對(duì)良好的環(huán)境穩(wěn)定性。在空氣中暴露約一個(gè)月后，基于b-As FET仍然很好。我們的結(jié)果表明，基于少數(shù)的層b-As場(chǎng)效應(yīng)晶體管是納米電子器件中有希望的候選者。具有非常大的應(yīng)用前景。

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