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磷烯中超高载流子迁移率及自旋选择性量子输运

注:文末有研究团队简介及本文作者科研思路分析


自英国科学家海姆和诺奥肖洛夫因对二维材料石墨烯的研究获得诺贝尔奖以来,二维材料(包括石墨烯、过渡金属氧硫族化合物等)以其独特的物理性质和潜在的应用价值引起了世界范围内人们的广泛关注。磷烯作为一种新型的二维材料,因为兼有石墨烯的高迁移率和过渡金属氧硫族化合物的高开关比特性正越来越多地引起人们的研究兴趣。近日香港科技大学物理系王宁教授(点击查看介绍)课题组在提高磷烯迁移率的研究上取得突破性进展。

图 1. 磷烯的晶体结构  从图中可以看出和石墨烯一样,磷烯也是二维层状晶体,并且具有很明显的结构各向异性


由于磷烯在空气中易与氧气、水等成分发生化学反应,制备高质量磷烯器件首先需要解决的就是如何在空气中保护磷烯的问题。其次在磷烯样品与衬底之间的带电杂质缺陷等对载流子的散射作用严重制约了磷烯样品中迁移率的提升。为了解决前面提到的两个关键问题,龙根等在王宁教授的指导下采取了将磷烯样品夹在两层氮化硼薄片之间的方案。另一方面,他们的氮化硼/磷烯/氮化硼异质结构是在真空中形成的,这样就最大限度地减少了空气在磷烯样品表面的残留,从而提高了磷烯器件的性能。


通过采取以上措施,他们很好地解决了前面提到的两个关键问题,在磷烯中实现了低温载流子迁移率45000 cm2/Vs 的突破。即使在常温环境中,载流子迁移率也可以达到5000 cm2/Vs。该数值比现在广泛应用的硅半导体的载流子迁移率高一个数量级,为磷烯器件的实际应用打下了坚实的基础。

图2. 基于氮化硼/磷烯/氮化硼三层结构的场效应晶体管照片


高迁移率的样品同时也使得他们可以在实验室磁场中观测并研究量子震荡、量子霍尔效应等现象,并测定磷烯样品中的一些重要参数。通过测量并拟合量子震荡振幅随温度的变化规律,磷烯中空穴的回旋质量确定为0.26倍的电子静止质量。此外作者又根据量子霍尔效应区域载流子的回旋能量以及Zeeman 分裂能量对与磁场的垂直分量和水平分量不同的依赖关系,通过旋转磁场角度来独立调节回旋能量以及Zeeman 分裂能量的大小,从而精确测量出 Zeeman 分裂中朗徳g 因子的大小为2.47。最后通过对磷烯样品量子震荡过程中不同自旋组分的震荡幅度的分析,创造性地提出了自旋选择性的量子输运过程。将人们对同类样品中量子输运的理解向前推进一大步。


该论文作者为:Gen Long, Denis Maryenko, Junying Shen, Shuigang Xu, Jianqiang Hou, Zefei Wu, Wing Ki Wong, Tianyi Han, Jiangxiazi Lin, Yuan Cai, Rolf Lortz, and Ning Wang

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Achieving Ultrahigh Carrier Mobility in Two-Dimensional Hole Gas of Black Phosphorus

Nano Lett., 2016, 16, 7768–7773, DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b03951


研究团队简介

王宁,香港科技大学物理系讲座教授(图左侧),量子材料中心主任及材料测制实验所主任。从事物理及材料学研究三十余年,主要科研领域包括低维度材料结构与量子输运、纳米材料及合成技术、高分辨电子显微学等领域。王宁教授在国际学术刊物发表论文200余篇。 曾获吴健雄物理奖,国家自然科学奖和亚洲杰出成就奖。

http://www.x-mol.com/university/faculty/38304


龙根,香港科技大学物理系在读博士(图右侧)。2014年于南京大学取得理学学士学位,2014年至今在香港科技大学攻读博士学位。

ORCID: http://orcid.org/0000-0002-2004-5455


科研思路分析


Q: 这项研究的最初目的是什么?或者说想法是怎样产生的?

A: 正如文中开始所讲述的那样,我们最开始是看中了磷烯这种材料与大家研究的比较多的两类材料石墨烯和过渡金属氧硫族化合物相比具有优势。第一,它和石墨烯一样,理论上具有很高的迁移率。而石墨烯由于缺乏禁带,很难做到很高的开关比。第二,它和过渡金属氧硫族化合物一样有很高的开关比。而过渡金属氧硫族化合物的迁移率和磷烯相比又要低很多。


Q: 在研究过程中遇到的最大挑战在哪里?

A: 最大的挑战还是要应对磷烯在空气环境下不稳定的问题。在这方面我们采取的氮化硼/磷烯/氮化硼的三明治结构是解决这一问题的关键。


Q: 本项研究成果最有可能的重要应用有哪些?哪些领域的企业或者研究机构最有可能从本项研究成果中获得帮助?

A: 在过去的几十年中,集成电路的发展一直在遵循摩尔定律。然而由于量子效应在小尺度晶体管中的作用,摩尔定律即将走到尽头。本项研究成果最重要的应用是为后摩尔定律时代的大规模集成电路的发展提供了一种可能的材料选择方向。


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