引言

最近，黑磷（B-P）由于其高的載流子遷移率，大開/關比，其可調諧的能帶結構吸引了人們越來越多的關注。與石墨烯相比，它被認為是在光學電子設備中運用的有希望的材料。但是，在大氣壓下B-P容易氧化，這樣將會妨礙其應用在實際裝置中。為了改進它的這一特性，研究發現合金化B-P是一個不錯的選擇，比如黑色砷磷合金顯示了可調帶隙，**的光學性能和良好的環境穩定性。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，它具有其類似的結構有**的物理和化學性質。

成果簡介

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

圖文導讀

圖一：b-As晶體的表征。（a）b-As的層狀晶體結構；（ 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）和選區電子衍射（SAED）圖像。

圖二：單層b-As場效應晶體管（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）的轉移特性曲線（Ids-Vg），右邊是對數刻度，左邊是線性刻度；（d）在不同的柵極電壓從0到-20 V下，同一設備的輸出特性曲線。

圖三：b-As FET的載流子傳輸的厚度和溫度的依賴性。（a）在-0.5V的Vds下，b-As的載流子遷移率和開/關比隨厚度的變化；（b）具有三種**厚度（4.6,8.9和14.6nm）砷FET的轉移特性曲線。 插圖：14.6nm厚的樣品的輸出特性曲線；（c）在不同溫度下9.5nm厚的b-As FET的轉移特性曲線（Ids-Vg）；（d）溫度對載流子遷移率的影響。 載流子遷移率在約230K時具有約52cm² V^-1s-¹的峰值。在低溫區域，載流子遷移率主要受雜質散射的限制。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域占主導地位。

圖四：b-As器件的環境穩定性。（a）作為環境暴露時間的函數的少層b-As晶體管的源極 - 漏極I-V曲線。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，晶體管的轉移曲線；（c）載流子遷移率和開/關比作為該晶體管的空氣暴露時間的函數。 隨著曝露時間的增加，該晶體管的遷移率呈非線性，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.對于這個FET，厚度為砷為11.9nm，溝道長度為≈2μm，溝道寬度分別為≈2μm；（d）b-As中氧的含量隨著曝光時間的變化而變化。

圖五：少層b-As中計算的電子特性。（a）單層和相關布里淵區原子結構的俯視圖；（b）用PBE官能團計算的單層黑砷的帶隙結構；（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。

小結

總之，我們制備了單層和幾層基于b-As的場效應晶體管。并詳細研究了它們的電性能。發現電子屬性與厚度有關，樣品的厚度約為5.7納米時，具有最高載流子遷移率高達約59 cm² V^-1 s^-1，厚度約為4.6納米時，具有**開/關比超過105。在溫度相關的載流子遷移率測量時，證明了在230K時觀察到峰值; 低于230 K，載流子遷移率主要受雜質散射的限制，但晶格散射在高溫下占主導地位。更重要的是，b-As顯示出相對良好的環境穩定性。在空氣中暴露約一個月后，基于b-As FET仍然很好。我們的結果表明，基于少數的層b-As場效應晶體管是納米電子器件中有希望的候選者。具有非常大的應用前景。

文章鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.201802581

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