[논문 리뷰] Black Arsenic: A Layered Semiconductor with Extreme in-plane Anisotropy

Yabin Chen, Kai Chen외 19명|arXiv (Cornell University)|2018. 05. 01.

2D Materials and Applications참고 문헌 1인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 흑색 As(b-As)가 아연계(armchair, AC) 및 절단형(zigzag, ZZ) 결정학적 방향 간에 극도로 높은 평면 내 전자적, 열적, 전기적 이방성을 보이는 새로운 다층 반도체임을 규명한다. 단일 결정의 체계적 특성 분석을 통해 저자들은 b-As가 알려진 2차원(2D) 물질보다 높거나 동등한 이방성 비율을 나타내며, 이는 이방성 나노전자 및 양자 장치 설계의 새로운 기회를 제공한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 흑색 As(b-As)의 구조적 및 전자적 성질을 탐구하여, 강한 평면 내 이방성을 보이는 다층 반도체로의 잠재성을 규명한다.
• b-As 단일 결정의 아연계(AC) 및 절단형(ZZ) 결정학적 방향을 따라 이방성 전도도, 열전도도 및 전자적 거동을 체계적으로 특성화한다.
• b-As가 다른 알려진 2차원(2D) 반도체보다 전자적 및 열전도도 성질에서 극도의 이방성을 보이는지 확인한다.
• 두드러진 평면 내 이방성에 기반한 b-As의 새로운 장치 응용 잠재력을 평가한다.

제안 방법

• 증기 이동 방법을 이용한 고순도 흑색 As(b-As) 단일 결정 합성.
• 전자 밴드 구조를 매핑하고 반도체 성질을 확인하기 위해 각도 의존성 광전자 방출 분광법(ARPES)의 사용.
• 전도도 및 실리콘 이동도의 평면 내 이방성 비율을 정량화하기 위해 아연계(AC) 및 절단형(ZZ) 방향의 전기적 전도도 측정.
• 열전도도의 이방성을 평가하기 위해 두 평면 내 결정학적 축을 따라 열전도도 측정.
• X선 회절 및 투과형 전자 현미경을 이용한 구조적 특성 분석을 통해 b-As의 다층 정방형 결정 구조를 확인.
• 관측된 이방성과 기저 전자 밴드 분산 및 팔름 표면 기하학의 상관관계를 이론적으로 분석.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 흑색 As(b-As)는 아연계(AC) 및 절단형(ZZ) 방향에서 전자 밴드 구조 및 전도도 성질에 있어 뚜렷한 평면 내 이방성을 나타내는가?
• RQ2 b-As의 전기적 전도도는 아연계 및 절단형 결정학적 축 간에 어떻게 달라지며, 이의 이방성 비율은 어느 정도인가?
• RQ3 b-As의 열전도도는 AC 및 ZZ 방향 간에 어느 정도 다를 수 있으며, 다른 2차원 반도체와 비교해 볼 때 어떻게 되는가?
• RQ4 b-As의 극도의 이방성은 고유한 다층 정방형 결정 구조 및 전자 밴드 분산에 기인하는가?
• RQ5 측정된 이방성 전도도 성질을 바탕으로 b-As는 향후 이방성 나노전자 또는 열전소자에 어떤 잠재력을 지닐 수 있는가?

주요 결과

• 흑색 As(b-As)는 전도도 및 실리콘 이동도의 이방성 비율이 대부분 알려진 2차원 반도체를 초월하거나 동등한 수준을 보이며, 뚜렷한 평면 내 이방성을 나타낸다.
• ARPES를 통해 드러난 b-As의 전자 밴드 구조는 아연계 및 절단형 방향에서 효과 질량 및 팔름 속도의 강한 이방성을 보이는 반도체 갭을 확인한다.
• 열전도도 측정 결과, AC 및 ZZ 방향 간에 뚜렷한 이방성이 나타나 방향성 열 흐름 제어 잠재력이 있음을 시사한다.
• b-As의 전기적 및 열전도도 이방성은 다른 2차원 반도체인 흑색 흑연과 비교해 뛰어나거나 동등하며, 이는 이방성 장치 응용 분야에서 선도적 후보로 자리매김한다.
• b-As의 극도의 평면 내 이방성은 다층 정방형 결정 구조와 직접적으로 연관되어 있으며, 구조적 비대칭이 전자 및 전도 이방성을 증폭시킨다.
• b-As는 전자적 및 열전도도에서 높은 수준의 이방성을 보이며, 이는 이방성 트랜지스터, 열전소자, 스핀트로닉스 응용 분야에서의 잠재적 응용 가능성을 시사한다.