[論文レビュー] Black Arsenic: A Layered Semiconductor with Extreme in-plane Anisotropy

Yabin Chen, Kai Chen+19 more|arXiv (Cornell University)|May 1, 2018

2D Materials and Applications参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、アームチェア（AC）およびジグザグ（ZZ）結晶学的方向における極めて顕著な平面内電子的・熱的・電気的異方性を示す、新しい層状半導体である黒砒素（b-As）を同定した。単結晶の系統的特性評価を通じて、著者らはb-Asが、既知の2次元材料よりも高い、あるいは同等の異方性比を示すことを実証し、異方性ナノエレクトロニクスおよび量子デバイス設計における新たな可能性を提供する。

ABSTRACT

Two-dimensional (2D) layered materials emerge in recent years as a new platform to host novel electronic, optical or excitonic physics and develop unprecedented nanoelectronic and energy applications. By definition, these materials are strongly anisotropic between within the basal plane and cross the plane. The structural and property anisotropies inside their basal plane, however, are much less investigated. Herein, we report a rare chemical form of arsenic, called black-arsenic (b-As), as an extremely anisotropic layered semiconductor. We have performed systematic characterization on the structural, electronic, thermal and electrical properties of b-As single crystals, with particular focus on its anisotropies along two in-plane principle axes, armchair (AC) and zigzag (ZZ). Our analysis shows that b-As exhibits higher or comparable electronic, thermal and electric transport anisotropies between the AC and ZZ directions than any other known 2D crystals. Such extreme in-plane anisotropies are able to potentially implement novel ideas for scientific research and device applications.

研究の動機と目的

• 黒砒素（b-As）というレアな砒素の同素体としての構造的・電子的性質を調査し、強い平面内異方性を示す層状半導体としての可能性を検討すること。
• アームチェア（AC）およびジグザグ（ZZ）結晶学的方向に沿って、b-As単結晶の異方性輸送特性、熱的および電子的性質を系統的に特徴づけること。
• b-Asが他の既知の2次元材料を上回る極めて顕著な異方性を示すかどうか、特に電子的および熱的輸送特性において評価すること。
• 顕著な平面内異方性に基づく、b-Asの新しいデバイス応用の可能性を評価すること。

提案手法

• 蒸気輸送法を用いた高品質な黒砒素（b-As）単結晶の合成。
• 電子バンド構造のマップ作成および半導体的性質の確認のため、角度分解光電子分光法（ARPES）の使用。
• アームチェア（AC）およびジグザグ（ZZ）方向に沿った電気的輸送特性の測定を通じて、平面内異方性の導電率およびキャリア移動度の定量的評価。
• 熱伝導率を2つの平面内結晶学的軸に沿って測定し、熱輸送における異方性の評価。
• X線回折および透過電子顕微鏡を用いた構造的特徴づけを通じて、b-Asの層状正方晶構造の確認。
• 理論的分析により、観察された異方性が、基礎的な電子バンド分散およびフェルミ面幾何学とどのように関連しているかを解明。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 黒砒素（b-As）は、アームチェア（AC）およびジグザグ（ZZ）方向に沿って、顕著な平面内異方性を示す電子バンド構造および輸送特性を有するか？
• RQ2 b-Asの電気的導電率は、アームチェア（AC）およびジグザグ（ZZ）結晶学的軸間でどのように変化するか。異方性比の大きさはどの程度か？
• RQ3 b-Asの熱伝導率は、ACおよびZZ方向でどの程度異なるか。他の2次元半導体と比較してどうか？
• RQ4 b-Asに顕著な異方性が見られるのは、その特異な層状正方晶構造および電子バンド分散に起因するのか？
• RQ5 測定された異方性輸送特性に基づいて、b-Asは将来の異方性ナノエレクトロニクスまたは熱電デバイスにどのような可能性を秘めているか？

主な発見

• 黒砒素（b-As）は、導電率およびキャリア移動度における異方性比が、既知の大多数の2次元半導体を上回る顕著な平面内異方性を示す電気的輸送特性を有する。
• ARPESにより明らかにされたb-Asの電子バンド構造は、アームチェア（AC）およびジグザグ（ZZ）方向に沿って有効質量およびフェルミ速度に顕著な異方性を示す半導体ギャップを確認した。
• 熱伝導率の測定結果から、ACおよびZZ方向間で顕著な異方性が確認され、熱の方向的輸送制御の可能性が示された。
• b-Asの電気的および熱的輸送における異方性は、ブラックホワール（Black Phosphorus）などの他の2次元半導体を上回るか同等の水準であり、異方性デバイス応用の優れた候補であることが立証された。
• b-Asの極めて顕著な平面内異方性は、その層状正方晶構造に直接関連しており、構造的歪みが電子的および輸送異方性を増幅している。
• b-Asは、電子的および熱的輸送において高い異方性を示しており、異方性トランジスタ、熱電デバイス、スピントロニクス応用への応用可能性が示唆される。