[论文解读] 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 4

一句话总结

本研究将黑砷（b-As）识别为一种新型层状半导体，其在晶体学上的扶手椅（AC）与锯齿形（ZZ）方向之间表现出极端的面内电子、热学和电学各向异性。通过单晶的系统表征，作者证明b-As的各向异性比值高于或相当于任何已知的二维材料，为各向异性纳米电子学与量子器件设计开辟了新机遇。

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.

研究动机与目标

• 探索黑砷（b-As）这一稀有同素异形体的结构与电子特性，作为具有强面内各向异性的潜在层状半导体。
• 系统表征b-As单晶在扶手椅（AC）与锯齿形（ZZ）晶体学方向上的各向异性输运、热学与电子行为。
• 确定b-As是否展现出超越其他已知二维材料的极端各向异性，特别是在电子与热输运特性方面。
• 基于其显著的面内各向异性，评估b-As在新型器件应用中的潜力。

提出的方法

• 通过蒸气输运法合成高质量的黑砷（b-As）单晶。
• 利用角分辨光电子能谱（ARPES）测绘电子能带结构，并确认其半导体特性。
• 测量沿AC与ZZ方向的电输运特性，以量化面内电导率与载流子迁移率的各向异性。
• 对两种面内晶体学轴进行热导率测量，以评估热输运的各向异性。
• 利用X射线衍射与透射电子显微镜进行结构表征，确认b-As的层状正交晶系结构。
• 理论分析以关联观测到的各向异性与底层电子能带色散及费米面几何形状。

实验结果

研究问题

• RQ1 黑砷（b-As）在其电子能带结构与输运特性方面是否在扶手椅与锯齿形方向表现出显著的面内各向异性？
• RQ2 b-As在扶手椅与锯齿形晶体学轴之间的电导率如何变化？其各向异性比值的大小是多少？
• RQ3 b-As在AC与ZZ方向之间的热导率差异程度如何？与其它二维半导体相比有何表现？
• RQ4 b-As中极端各向异性是否可归因于其独特的层状正交晶系结构与电子能带色散？
• RQ5 基于其测量到的各向异性输运特性，b-As在未来的各向异性纳米电子或热电器件中具有何种潜力？

主要发现

• 黑砷（b-As）在电输运方面表现出显著的面内各向异性，其电导率与载流子迁移率的各向异性比值超过或相当于大多数已知的二维半导体。
• ARPES揭示的b-As电子能带结构证实存在半导体带隙，且在扶手椅与锯齿形方向上有效质量与费米速度均表现出强烈的各向异性。
• 热导率测量显示AC与ZZ方向之间存在显著各向异性，表明其具有控制定向热流的潜力。
• b-As在电输运与热输运方面的各向异性超越或匹配其他二维材料（如黑磷），确立其作为各向异性器件应用领先候选者的地位。
• b-As的层状正交晶系结构与其极端面内各向异性直接相关，结构畸变进一步放大了电子与输运各向异性。
• b-As在电子与热输运方面均表现出高度各向异性，暗示其在各向异性晶体管、热电器件及自旋电子学应用中具有潜在用途。