[논문 리뷰] Few-layer black phosphorus: emerging direct band gap semiconductor with high carrier mobility

Jingsi Qiao, Xianghua Kong외 3명|arXiv (Cornell University)|2014. 01. 20.

2D Materials and Applications참고 문헌 37인용 수 19

한 줄 요약

이 논문은 희미한 간섭을 보이는 2D 반도체로서, 조절 가능한 직접 밴드 갭(1.51 eV에서 0.59 eV)과 뛰어난 높은 정공 이동도(5층 기준 최대 2722 cm²/V·s)를 지닌 소수층 블랙 포스포러스를 제안하며, 이는 효율적인 전자 이동과 방향 선택적 적외선 흡수를 가능하게 하여 고성능 나노전자 및 옵티오전자에 이상적인 조건을 제공한다.

ABSTRACT

Two-dimensional crystals are emerging materials for future nanoelectronics, the community of which has been seeking for candidate channel materials that have sufficient electronic band gap, high carrier mobility, and good channel-lead contact. We present a theoretical investigation of geometric and electronic structures of few-layer black phosphorus, based on which, associated electric and optical properties were predicted. Our results show that it has a direct band gap, which is tunable from 1.51 eV of monolayer to 0.59 eV of 5-layer; while the hole mobility, for example, increase from 337 cm2/V•s of monolayer to 2722 cm2/V•s of 5-layer. In addition, directionally selective optical transitions were found that significant light absorption happens at energies in the infrared range along a certain direction, while there are no appreciable absorption below 2.0 eV for the other two directions. These results make few-layer black phosphorus a promising candidate for future electronics and optoelectronics. __________ § These authors equally contributed to this work * [e-mail], http://sim.phys.ruc.edu.cn The discovery of graphene opened many new areas of research, among them twodimensional (2D) atomic layers, including graphene, transition metal dichalcogenides (TMD) and others, were intensively investigated as emergent materials for future electronics.1-13 To realize a high performance device, e.g. field effect transistor (FET), it requires a sufficient electronic band gap and a reasonably high carrier mobility of the channel material and excellent electrode-channel contact.5-8,10-13 Graphene offers extremely high carrier mobility, due to its Dirac-like linear dispersion, which thus lead to graphene a promising candidate for, e.g. high speed FET, however, it is gapless.1-7 Although tremendous research efforts have been made on how to open a gap in graphene nanostructures, it is still an open issue of relatively large off current and low on-off ratio.5,6,14 The emergence of monolayer TMDs, e.g. MoS2, as its first FET recently demonstrated,8 has attracted substantial research interest. Unlike graphene, monolayer MoS2 is a direct band gap semiconductor with a carrier mobility of approximately 200 cm2/V·s, improvable up to 500 cm2/V·s,8 which is fairly good, but orders of magnitude lower than that of graphene.5,6 Germanane is another candidate for 2D electronics that theory predicts a high carrier mobility of 18195 cm2/V·s and a finite band gap of 1.56 eV.15 It is, however, covered by H atoms, rather electronically inert, which doubts whether a good contact can be made between electrode materials and germanane. Therefore, a very important open problem is to seek for a 2D material which is a, preferably direct gap, semiconductor with considerably high carrier mobility and potentially can form excellent contact with known electrode materials. In this work, we report a discovery of high carrier mobility in a novel category of layered direct band gap semiconductors, namely, few-layer black phosphorus (BP), an allotrope of phosphorus, as shown in Fig. 1(a). In particular, by density functional theory calculations we show that few-layer BPs, from monolayer up to 5-layer, are thermally stable, with interlayer interaction energy of -0.44 eV. The bandgap-thickness relation follows an exponentially decay law that it goes from ~1.5 eV of monolayer down to ~0.6 eV of 5-layer. Effective masses in the range from 0.14 m0 to 0.18 m0 for electron and hole were found along the b direction. Carrier mobilities along the same direction at 300K were theoretically derived that the smallest hole mobility is 337 cm2/V·s (monolayer) and the smallest electron mobility is 299 cm2/V·s (bilayer) among all considered few-layers, while they are over or close to a thousand cm2/V·s for the 5layer BP. The corresponding values considered in an 1D model are an order of magnitude higher. A sufficient optical absorbance peak was found at 1.72 eV in the monolayer, or at lower energies in thicker layers, only along the b direction. All these results strongly suggest that few-layer BP is a new category of 2D semiconductors that is promising in the applications of nanoelectronics and optoelectronics.

연구 동기 및 목표

• 나노전자 응용을 위한 직접 밴드 갭, 높은 실리콘 이동도, 양호한 전극 접촉 호환성을 갖춘 2D 반도체를 식별하기 위해.
• 그래핀(밴드 갭 없음)과 단층 TMD(낮은 이동도)의 한계를 해결하기 위해, 대체 2D 물질을 탐색하기 위해.
• 첫 번째 원리 계산을 통해 소수층 블랙 포스포러스의 전자적 및 광학적 성질을 조사하기 위해.
• 소수층 블랙 포스포러스가 필드효과 트랜지스터 및 옵티오전자 장치의 채널 물질로 가진 잠재력을 평가하기 위해.

제안 방법

• 소수층 블랙 포스포러스(1–5층)의 기하학적 및 전자 구조를 결정하기 위해 밀도함수이론(DFT) 계산을 사용하였다.
• 열적 안정성을 평가하기 위해 다층 간 상호작용 에너지를 계산하여, 1식별단위당 −0.44 eV의 값을 도출하였다.
• 밴드 갭-두께 관계를 매핑하여, 단층에서 약 1.5 eV에서 5층에서 약 0.6 eV로 지수 감쇠하는 경향을 확인하였다.
• 300 K에서 볼츠만 운동론 이론을 사용하여 효과 질량과 실리콘 이동도를 계산하였으며, 전도성 성질을 분석하기 위해 b-방향을 중심으로 집중하였다.
• 세 개의 결정학적 방향에 따라 유전율 함수를 계산하여 광학적 흡수 이방성성을 분석하였다.
• 1D 모델을 사용하여 실리콘 이동도의 상한선을 추정하고, 2D 결과와 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 소수층 블랙 포스포러스는 두께에 따라 조절 가능한 직접 밴드 갭을 가지는가?
• RQ2 소수층 블랙 포스포러스의 실리콘 이동도는 무엇이며, 층 수에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ3 소수층 블랙 포스포러스는 이방성 광학적 흡수를 보이며, 만약 그렇다면 어느 방향에서인가?
• RQ4 소수층 블랙 포스포러스는 표준 전극 재료와 양호한 전기적 접촉을 형성할 수 있는가?
• RQ5 성능 지표 측면에서 소수층 블랙 포스포러스의 전자 구조는 그래핀과 단층 TMD와 비교해 어떻게 다른가?

주요 결과

• 소수층 블랙 포스포러스는 단층에서 1.51 eV에서 5층에서 0.59 eV로 감소하는 직접 밴드 갭을 나타낸다.
• 정공 이동도는 층 두께 증가에 따라 크게 향상되며, 5층 블랙 포스포러스에서 최대 2722 cm²/V·s에 도달한다. 이는 단층(337 cm²/V·s)에 비해 뚜렷한 향상이다.
• 전자 이동도는 이층에서 299 cm²/V·s에 도달하며, 5층에서 1000 cm²/V·s 이상의 값을 기록한다.
• 방향 선택적 광학적 흡수 현상이 관찰되었으며, 단층에서는 오직 b-방향에서 1.72 eV에서 강한 흡수 피크가 나타나고, 나머지 두 방향에서는 2.0 eV 이하에서 거의 흡수되지 않는다.
• 밴드 갭-두께 관계는 지수 감쇠 법칙을 따르며, 기계적 에보리션 또는 다층 적층을 통해 밴드 갭 조절 가능성을 시사한다.
• 1D 모델의 이론적 계산 결과, 2D 결과 대비 실리콘 이동도가 약 10배 높은 것으로 나타나, 강한 이방성과 특정 결정학적 방향에서의 높은 성능 잠재력을 보여준다.