[論文レビュー] Few-layer black phosphorus: emerging direct band gap semiconductor with high carrier mobility

Jingsi Qiao, Xianghua Kong+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 20, 2014

2D Materials and Applications参考文献 37被引用数 19

ひとこと要約

本稿では、調整可能な直接バンドギャップ（1.51 eV から 0.59 eV）と非常に高いホール移動度（5層で最大 2722 cm²/V·s）を有する少数層ブラックホスホラスを、高性能ナノエレクトロニクスおよびオプトエレクトロニクスに適した2次元半導体として提案している。この特性により、効率的な電子輸送と方向選択的赤外吸収が可能となる。

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.

研究の動機と目的

• ナノエレクトロニクス用途に適した、直接バンドギャップ、高いキャリア移動度、および電極との良好なコンタクト性を有する2次元半導体の特定を目的とする。
• グラフェン（ギャップなし）およびモノレイヤーTMD（低移動度）の限界を克服するため、代替2次元材料の探索を目的とする。
• 第一原理計算を用いて、少数層ブラックホスホラスの電子的および光学的性質を調査することを目的とする。
• フィールド効果トランジスタおよびオプトエレクトロニクス素子におけるチャネル材料としての少数層ブラックホスホラスの可能性を評価することを目的とする。

提案手法

• 少数層ブラックホスホラス（1〜5層）の幾何学的および電子的構造を特定するために、密度汎関数理論（DFT）計算を用いた。
• 熱的安定性を評価するため、層間相互作用エネルギーを計算し、1式単位あたり -0.44 eV の値が得られた。
• バンドギャップと厚さの関係をマッピングし、モノレイヤーの約1.5 eV から5層の約0.6 eV へと指数関数的に減少する傾向を示した。
• ボルツマン輸送理論を用いて300 Kにおける有効質量およびキャリア移動度を計算し、輸送特性に注目してb方向を対象とした。
• 3つの結晶学的方向に沿った誘電関数を計算することで、光学的吸収の異方性を分析した。
• 1次元モデルを用いてキャリア移動度の上限を推定し、2次元結果と比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 少数層ブラックホスホラスは、厚さに応じて調整可能な直接バンドギャップを示すか？
• RQ2 少数層ブラックホスホラスのキャリア移動度はどの程度で、層数に応じてどのように変化するか？
• RQ3 少数層ブラックホスホラスは異方的光学吸収を示すか？ もしそうならば、どの方向か？
• RQ4 少数層ブラックホスホラスは、一般的な電極材料と良好な電気的コンタクトを形成できるか？
• RQ5 少数層ブラックホスホラスの電子構造は、グラフェンおよびモノレイヤーTMDと比較して、性能指標の観点からどのように異なるか？

主な発見

• 少数層ブラックホスホラスは、モノレイヤーで1.51 eV、5層構造で0.59 eV に低下する直接バンドギャップを示した。
• ホール移動度は層厚の増加に伴い著しく向上し、5層ブラックホスホラスで2722 cm²/V·s に達した。これはモノレイヤーの337 cm²/V·s に比べ顕著な向上である。
• 電子移動度はバイレイヤーで299 cm²/V·s に達し、5層構造では1000 cm²/V·s 以上の値を示した。
• 方向選択的光学吸収が観察され、モノレイヤーではb方向に1.72 eV で強い吸収ピークを示したが、他の2方向では2.0 eV 未満ではほとんど吸収が見られなかった。
• バンドギャップと厚さの関係は指数関数的減衰則に従い、機械的エキスフォリエーションまたは積層によってチューナブルであることが示された。
• 1次元モデルによる理論的計算から、2次元結果に比べ10倍程度高いキャリア移動度が示唆され、強い異方性と特定の結晶学的方向における高い性能の可能性が示された。