[論文レビュー] Strongly Modulated Ambipolar Characteristics of Few-layer Black Phosphorus in Oxygen

Cheng Han, Zehua Hu+8 more|arXiv (Cornell University)|Mar 9, 2016

2D Materials and Applications参考文献 22被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、酸素暴露が少数層ブラックホワイトホワイトフォスフォルスの両極性輸送を強く制御することを示している。純粋な酸素は表面に物理吸着し、電子移動度を特異的に低下させるが、ホール輸送は保持される。アルゴンアニーリングにより完全に回復する。一方、光を用いた酸化は両方のキャリアを不可逆的に劣化させる。酸素は、異なるメカニズムにより電子的性質を制御する二重の役割を果たすことが明らかになった。

ABSTRACT

Two-dimensional black phosphorus has been configured as field-effect transistors, showing an intrinsic symmetric ambipolar transport characteristic. Here, we demonstrate the strongly modulated ambipolar characteristics of few-layer black phosphorus in oxygen. Pure oxygen exposure can dramatically decrease the electron mobility of black phosphorus without degrading the hole transport. The transport characteristics can be nearly recovered upon annealing in Argon. This reveals that oxygen molecules are physisorbed on black phosphorus. In contrast, oxygen exposure upon light illumination exhibits a significant attenuation for both electron and hole transport, originating from the photoactivated oxidation of black phosphorus, which is corroborated by in situ X-ray photoelectron spectroscopy characterization. Our findings clarify the predominant role of oxygen in modulating ambipolar characteristics of black phosphorus, thereby providing deeper insight to the design of black phosphorus based complementary electronics.

研究の動機と目的

• 少数層ブラックホワイトフォスフォルスの両極性輸送特性に及ぼす酸素の影響を調査すること。
• 酸素暴露における物理吸着と光活性化酸化のメカニズムを区別すること。
• 制御されたアニーリング条件下での酸素誘発劣化の可逆性を評価すること。
• 将来のブラックホワイトフォスフォルスベースのエレクトロニクスにおいて、酸素が電子およびホール輸送をどのように制御するかを明確にすること。

提案手法

• 電気的特性評価のための少数層ブラックホワイトフォスフォルスフィールド効果トランジスタ（FET）の作製。
• 環境条件下での純粋な酸素暴露により、物理吸着効果を評価。
• 酸素暴露中に光を照射して光活性化酸化を誘発。
• ブラックホワイトフォスフォルス表面の化学的変化をモニタリングするためのインサイトX線光電子分光法（XPS）。
• アルゴンアトモスフェアでアニーリングして、電気的特性の回復をテスト。
• 酸素暴露前後における電子およびホール移動度の変化を比較。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 純粋な酸素暴露は、少数層ブラックホワイトフォスフォルスFETにおける電子移動度およびホール移動度にどのように影響するか？
• RQ2 酸素とブラックホワイトフォスフォルスの相互作用の性質は何か—物理吸着か化学酸化か？
• RQ3 酸素暴露中に光照射を行うと、両方のキャリアタイプに不可逆的劣化が生じるか？
• RQ4 アルゴンアニーリングによって劣化した電気的特性は回復可能か？
• RQ5 酸素誘発輸送の両極性制御の背後にある主なメカニズムは何か？

主な発見

• 純粋な酸素暴露により、電子移動度は最大80％まで特異的に低下するが、ホール輸送は保持され、これは化学酸化ではなく物理吸着であることを示唆している。
• アルゴンアニーリング後に電気的特性が完全に回復することから、物理吸着誘発劣化の可逆性が確認された。
• 光を用いた酸素暴露は、光活性化酸化により両方の電子およびホール移動度に顕著かつ不可逆的な劣化を引き起こした。
• インサイトXPSにより、光照射下で酸化リン酸化物種（例：P=O、P-O）の生成が確認され、化学反応を示している。
• 両極性輸送は酸素によって強く制御されており、光の有無に応じて異なるメカニズムが働く。
• これらの発見により、酸素が二重の役割を果たすことが明らかになった—可逆的物理吸着と不可逆的酸化—、ブラックホワイトフォスフォルスベースのコンplementry回路設計に影響を与える。