[论文解读] Charge Scattering and Mobility in Atomically Thin Semiconductors

Nan Ma, Debdeep Jena|arXiv (Cornell University)|Oct 27, 2013

2D Materials and Applications被引用 6

一句话总结

本研究确定，在单层过渡金属二硫属化物（如MoS2）中，电离杂质散射是限制载流子迁移率的主要机制；当杂质浓度降低时，远场光学声子散射在室温下成为迁移率的最终上限。通过系统分析不同载流子浓度和温度下的散射速率，作者预测，此前尚未实现的本征迁移率仅能在洁净、悬挂的单层材料中实现，并建议了可最大化迁移率性能的最佳介电环境。

ABSTRACT

The electron transport properties of atomically thin semiconductors such as MoS2 have attracted significant recent scrutiny and controversy. In this work, the scattering mechanisms responsible for limiting the mobility of single layer semiconductors are evaluated. The roles of individual scattering rates are tracked as the 2D electron gas density is varied over orders of magnitude at various temperatures. From a comparative study of the individual scattering mechanisms, we conclude that all current reported values of mobilities in atomically thin transition-metal dichalcogenide semiconductors are limited by ionized impurity scattering. When the charged impurity densities are reduced, remote optical phonon scattering will determine the ceiling of the highest mobilities attainable in these ultrathin materials at room temperature. The intrinsic mobilities will be accessible only in clean suspended layers, as is also the case for graphene. Based on the study, we identify the best choices for surrounding dielectrics that will help attain the highest mobilities.

研究动机与目标

• 确定在单层过渡金属二硫属化物（如MoS2）等原子级厚度半导体中，限制电子迁移率的主要散射机制。
• 确定迁移率如何随不同散射机制下的载流子浓度和温度变化。
• 在理想条件下，确定这些材料中迁移率的理论上限。
• 识别可最小化散射并最大化可实现迁移率的最佳介电环境。

提出的方法

• 系统评估不同二维电子气密度和温度范围内的各类散射速率（电离杂质、远场光学声子等）。
• 基于基础半导体物理，采用散射速率的解析模型，包括二维电子气密度的依赖关系。
• 将理论散射速率与已报道的实验迁移率数据进行比较，以识别限制性机制。
• 通过评估不同周围介电材料的影响，分析介电屏蔽效应，以确定其对散射和迁移率的影响。
• 通过模拟不同杂质浓度和温度下的迁移率趋势，预测本征迁移率的极限。
• 利用MoS2及相关过渡金属二硫属化物的实验数据对结果进行验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 在单层MoS2及类似二维半导体中，主要限制电子迁移率的散射机制是什么？
• RQ2 在这些材料中，迁移率如何随载流子浓度和温度变化？
• RQ3 在室温下，洁净、悬挂的二维半导体中迁移率的理论上限是多少？
• RQ4 哪些介电环境可最小化散射并最大化二维半导体中的可实现迁移率？
• RQ5 在何种条件下可实验获得本征迁移率（即不受外部缺陷限制）？

主要发现

• 目前所有报道的单层过渡金属二硫属化物中的迁移率均受电离杂质散射限制。
• 当带电杂质浓度降低后，在室温下远场光学声子散射成为主导的迁移率限制机制。
• 这些材料中的本征迁移率上限仅在洁净、悬挂的单层结构中可实现，与石墨烯类似。
• 可实现的最高迁移率由介电环境决定，特定材料被证明可最小化散射并最大化迁移率。
• 最优介电材料可显著降低散射，对实现高性能二维半导体器件至关重要。
• 本研究为未来二维半导体异质结构中选择可最大化迁移率的介电材料提供了定量框架。