引言

最近，黑磷（B-P）由于其高的载流子迁移率，大开/关比，其可调谐的能带结构吸引了人们越来越多的关注。与石墨烯相比，它被认为是在光学电子设备中运用的有希望的材料。但是，在大气压下B-P容易氧化，这样将会妨碍其应用在实际装置中。为了改进它的这一特性，研究发现合金化B-P是一个不错的选择，比如黑色砷磷合金显示了可调带隙，**的光学性能和良好的环境稳定性。另一种方式是寻找新的替代材料黑砷(B-As)，作为B-P的表兄弟，它具有其类似的结构有**的物理和化学性质。

成果简介

   最近，报道了一种新的元素二维材料：黑砷，将其应用到场效应晶体管中，展现出良好的性能。该文章以“Thickness-Dependent Carrier Transport Characteristicsof a New 2D Elemental Semiconductor: Black Arsenic”为题，发表在ADVANCED FUNCTIONAL MATERIALS上（DOI：10.1002/adfm.201802581）。

图文导读

图一：b-As晶体的表征。（a）b-As的层状晶体结构；（ b）单层和多层b-As片的微拉曼光谱；（ c，d）b-As晶体的高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）和选区电子衍射（SAED）图像。

图二：单层b-As场效应晶体管（FET）的表征。（a）单层b-As FET横截面；（b）单层b-As FET的原子力显微镜（AFM）图像；（c）在不同漏源电压（-0.01至-1 V）下，单层器件（如图2b所示）的转移特性曲线（Ids-Vg），右边是对数刻度，左边是线性刻度；（d）在不同的栅极电压从0到-20 V下，同一设备的输出特性曲线。

图三：b-As FET的载流子传输的厚度和温度的依赖性。（a）在-0.5V的Vds下，b-As的载流子迁移率和开/关比随厚度的变化；（b）具有三种**厚度（4.6,8.9和14.6nm）砷FET的转移特性曲线。 插图：14.6nm厚的样品的输出特性曲线；（c）在不同温度下9.5nm厚的b-As FET的转移特性曲线（Ids-Vg）；（d）温度对载流子迁移率的影响。 载流子迁移率在约230K时具有约52cm² V^-1s-¹的峰值。在低温区域，载流子迁移率主要受杂质散射的限制。高于230 K，载流子迁移率随着温度的升高以μαT^-α的形式迅速下降，其中α≈0.3。这是由于晶格散射在该温度区域占主导地位。

图四：b-As器件的环境稳定性。（a）作为环境暴露时间的函数的少层b-As晶体管的源极 - 漏极I-V曲线。我们可以知道晶体管在26天后仍保持良好的欧姆接触特性；（b）记录26天，晶体管的转移曲线；（c）载流子迁移率和开/关比作为该晶体管的空气暴露时间的函数。 随着曝露时间的增加，该晶体管的迁移率呈非线性，从26 cm² V^-1 s^-1减小到约8.4 cm² V^-1 s^-1; 然而，ON / OFF比率从大约69增加到大约97.对于这个FET，厚度为砷为11.9nm，沟道长度为≈2μm，沟道宽度分别为≈2μm；（d）b-As中氧的含量随着曝光时间的变化而变化。

图五：少层b-As中计算的电子特性。（a）单层和相关布里渊区原子结构的俯视图；（b）用PBE官能团计算的单层黑砷的带隙结构；（c，d）CBM和VBM的部分电荷分布；（e）黑砷的带隙变化作为层厚度的函数。

小结

总之，我们制备了单层和几层基于b-As的场效应晶体管。并详细研究了它们的电性能。发现电子属性与厚度有关，样品的厚度约为5.7纳米时，具有最高载流子迁移率高达约59 cm² V^-1 s^-1，厚度约为4.6纳米时，具有**开/关比超过105。在温度相关的载流子迁移率测量时，证明了在230K时观察到峰值; 低于230 K，载流子迁移率主要受杂质散射的限制，但晶格散射在高温下占主导地位。更重要的是，b-As显示出相对良好的环境稳定性。在空气中暴露约一个月后，基于b-As FET仍然很好。我们的结果表明，基于少数的层b-As场效应晶体管是纳米电子器件中有希望的候选者。具有非常大的应用前景。

文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.201802581

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