二維層狀黑磷烯負(fù)微分電阻場效應(yīng)管的第一性原理研究

摘要：黑磷烯負(fù)微分電阻場效應(yīng)管的前沿進(jìn)展主要體現(xiàn)在其獨特的電子特性和應(yīng)用潛力上。黑磷烯作為一種二維層狀材料，具有直接帶隙半導(dǎo)體的特性。當(dāng)它與金電極以特定的方式接觸時，可以展現(xiàn)出獨特的電子整流和負(fù)微分電阻效應(yīng)。具體來說，沿著鋸齒（zigzag）型方向排列的黑磷烯與金電極（100）表面接觸時，能形成穩(wěn)定的負(fù)微分電阻效應(yīng)。這一特性使得黑磷烯負(fù)微分電阻場效應(yīng)管在半導(dǎo)體納米晶體器件中有廣泛的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：黑磷；負(fù)微分電阻；第一性原理研究二維層狀材料由于石墨烯（graphene）的成功制備而引起了科學(xué)界極大的研究興趣，近年來成為納米科學(xué)研究的熱點。繼石墨烯之后，硅烯、鍺烯和二硫化鉬等二維晶體也相繼被制備成功，豐富了二維層狀材料家族體系，也極大地促進(jìn)了材料科學(xué)的發(fā)展。然而，由于二維石墨烯電子結(jié)構(gòu)沒有能隙，在一定程度上弱化了其在半導(dǎo)體電子器件中的應(yīng)用。2014年，中國科大陳仙輝教授課題組與復(fù)旦大學(xué)張遠(yuǎn)波教授課題組合作，利用膠帶進(jìn)行機械剝落的方法，從塊狀黑磷中成功制備出了二維黑磷單晶（phosphorene）的場效應(yīng)晶體管［1］。自從加入二維層狀半導(dǎo)體材料的家族之后，黑磷受到了越來越多研究者的關(guān)注［2-3］。

黑磷烯具有直接帶隙半導(dǎo)體特性，這意味著它可以用于光電子器件的構(gòu)建。結(jié)合黑磷烯負(fù)微分電阻場效應(yīng)管，可以開發(fā)出高效的光電探測器和太陽能電池等。為了研究黑色磷光體在納米電子器件中應(yīng)用的微觀機制，我們構(gòu)建了Au作為電極來匹配黑磷烯，對黑磷烯勢壘隧道結(jié)的電子運輸性質(zhì)進(jìn)行了計算，包括界面電子態(tài)和透射光譜，以及施加?xùn)艠O電壓以研究場效應(yīng)晶體管的性能。

1黑磷烯負(fù)隧道結(jié)構(gòu)的構(gòu)建和計算參數(shù)

本工作構(gòu)建的黑磷烯負(fù)微分電阻場效應(yīng)管是一種基于金黑磷烯的晶體管。當(dāng)沿著鋸齒型（zigzag）方向和扶手椅型（armchair）排列的黑磷烯與金電極（100）表面（見圖1a和圖1b）接觸時，可以發(fā)現(xiàn)鋸齒（zigzag）型方向可以形成獨特的電子整流和負(fù)微分電阻效應(yīng)。

本文的計算是基于密度泛函理論和非平衡格林函數(shù)相結(jié)合的方法進(jìn)行的。該系統(tǒng)可分為3個部分：左電極、右電極和散射區(qū)，用于對于金電極100面和二維層狀材料黑磷烯zigzag方向的接觸表面部分被充分弛豫，直到原子間的作用力小于0.05 eV/。我們使用Au（100）表面作為左右電極，沿著兩個方向（Z字形和扶手椅）的黑色磷光體作為器件區(qū)域，其中也包含部分引線［4］。透射光譜的計算公式為：T（E，V）=Tr［TL（E，V）］G（E，V）TR（E，V）G+（E，V）（2）其中，T（E，V）是左/右電極和散射區(qū)之間的耦合矩陣，G（E，V）表示與偏置電壓V的延遲格林函數(shù)。通過黑磷隧道結(jié)，電流可以通過如下公式得到：I=2eh∫μLμRT（E，Vb）［fL（E-μL）-fR（E-μR）］dE（3）其中，fL，R=1/（1+e（E-μL，R）/kBT）是費米狄拉克（Fermi-Dirac）分布，μL，R是左右電極的化學(xué)勢。T（E，Vb）是在能量E和偏置電壓Vb下的透射系數(shù)，電子溫度是300 K。

2黑磷烯負(fù)微分電阻場效應(yīng)管性質(zhì)研究

根據(jù)計算結(jié)果，我們在圖2畫出了金黑磷烯沿著扶手椅型（armchair）方向的電流電壓關(guān)系圖；該圖顯示電流變化如下：在0～0.6 V的范圍內(nèi)，電流增加相對平緩；在0.6～1.0 V的范圍內(nèi)，電流開始快速增加；在整個0.0～1.0 V電壓區(qū)間，電流值隨著偏置電壓的增加始終處于增加狀態(tài)，未出現(xiàn)負(fù)微分電阻現(xiàn)象。

圖3顯示了基于金黑磷烯的沿鋸齒型方向的電流電壓關(guān)系圖；該圖顯示電流變化如下：在0～0.5 V的范圍內(nèi)，電流快速增加；在0.50～0.60 V的范圍內(nèi)，電流增加非常緩慢；然而在0.60～0.90 V的范圍內(nèi)，電流達(dá)到飽和并且隨著偏置電壓的增加而略微降低；在0.80～1.00 V的范圍內(nèi)，電流重新增加。加入1.0、1.5和2.0 V門電壓后，觀察電流電壓曲線，同樣在約0.60～0.90 V的偏壓范圍內(nèi)，出現(xiàn)了負(fù)微分電阻現(xiàn)象。

圖4給出了基于金黑磷烯的沿鋸齒形方向在門電壓為0.0 V時的透射譜。該圖顯示了該雙電極輸運系統(tǒng)的幾種不同偏置情況的透射譜。幾個有限偏壓被施加到左電極和右電極時，導(dǎo)致左右電極的電化學(xué)勢向下和向上移動Vb/2。在0.00～1.08 V之間的不同偏壓（Vb）中，該透射譜表現(xiàn)出類似的峰和特性。

通過對比費米能級附近的不同偏壓下的峰值，可以看到，隨著偏壓逐漸增加，峰向下移動。值得關(guān)注的是，對于高于費米能級的零偏壓，存在分別位于0.80和1.26 eV的兩個小T（Vb，E）峰。當(dāng)在0.20～1.08 V的范圍內(nèi)施加偏壓時，兩個T（Vb，E）峰向左移動。特別是在0.60～0.90 V的范圍內(nèi)，注意到一個小的T（Vb，E）峰值進(jìn)入在0.72 eV附近的透射窗口并逐漸變?nèi)?，這是該雙電極輸運系統(tǒng)中負(fù)微分電阻效應(yīng)的起源?？紤]到金電極100面與黑磷烯zigzag方向相鄰原子的耦合，隨著偏置電壓的增加，電子軌道能態(tài)的結(jié)合變?nèi)酰瑢?dǎo)致該金黑磷烯隧道結(jié)形成了有趣的微分電阻效應(yīng)。

3總結(jié)

本工作利用二維層狀材料黑鱗烯為直接帶隙p型半導(dǎo)體的特點，通過和金電極（100）表面態(tài)之間雜化效應(yīng)而設(shè)計的一種場效應(yīng)晶體管器件，其結(jié)構(gòu)包括一個源極（source）、一個漏極（drain）、一個狹窄的通道（narrow channel）和一個能控制電流的門極（gate）。兩個金電極之間的間距為納米量級，中間散射區(qū)為單層的二維層狀材料黑磷烯，沿著z軸方向排列構(gòu)成三明治層狀結(jié)構(gòu)。由于黑磷烯具有獨特的直接帶隙半導(dǎo)體的電子特性，沿著鋸齒（zigzag）型方向排列的黑磷烯與金電極（100）表面接觸，可以形成獨特的電子整流和負(fù)微分電阻效應(yīng)。本文理論上提供一種制備二維層狀材料黑磷烯的負(fù)微分電阻場效應(yīng)晶體管器件的方法。該晶體器件的負(fù)微分電阻效應(yīng)在門電壓的作用下也比較穩(wěn)定，與器件的半導(dǎo)體襯底材料無關(guān)，該負(fù)微分電阻晶體器件優(yōu)良，結(jié)構(gòu)新穎，可以廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體納米晶體器件當(dāng)中。

參考文獻(xiàn)：

［1］Likai Li， Yijun Yu， Guo Jun Ye， et al， Black phosphorus field-effect transistors ［J］. Nature Nanotechnology， 2014 （9）： 372377.

［2］Shaohua Zhou， Changhua Bao， et al， Pseudospin-selective floquet band engineering in black phosphorus ［J］. Nature， 2023（614）： 7580.

［3］HAN LIU， ADAM T. NEAL， et al， The effect of dielectric capping on few-layer phosphorene transistors： tuning the schottky barrier heights ［J］. Ieee Electron Device Letters， 2014 （35）： 795797.

［4］SAN-HUANG KE， HAROLD U BARANGER and WEITAO YANG. Molecular conductance： chemical trends of anchoring groups［J］. J. Am. Chem. Soc， 2004（126）， 15897904.