二维层状黑磷烯负微分电阻场效应管的第一性原理研究

摘要：黑磷烯负微分电阻场效应管的前沿进展主要体现在其独特的电子特性和应用潜力上。黑磷烯作为一种二维层状材料，具有直接带隙半导体的特性。当它与金电极以特定的方式接触时，可以展现出独特的电子整流和负微分电阻效应。具体来说，沿着锯齿（zigzag）型方向排列的黑磷烯与金电极（100）表面接触时，能形成稳定的负微分电阻效应。这一特性使得黑磷烯负微分电阻场效应管在半导体纳米晶体器件中有广泛的应用前景。

关键词：黑磷；负微分电阻；第一性原理研究二维层状材料由于石墨烯（graphene）的成功制备而引起了科学界极大的研究兴趣，近年来成为纳米科学研究的热点。继石墨烯之后，硅烯、锗烯和二硫化钼等二维晶体也相继被制备成功，丰富了二维层状材料家族体系，也极大地促进了材料科学的发展。然而，由于二维石墨烯电子结构没有能隙，在一定程度上弱化了其在半导体电子器件中的应用。2014年，中国科大陈仙辉教授课题组与复旦大学张远波教授课题组合作，利用胶带进行机械剥落的方法，从块状黑磷中成功制备出了二维黑磷单晶（phosphorene）的场效应晶体管［1］。自从加入二维层状半导体材料的家族之后，黑磷受到了越来越多研究者的关注［2-3］。

黑磷烯具有直接带隙半导体特性，这意味着它可以用于光电子器件的构建。结合黑磷烯负微分电阻场效应管，可以开发出高效的光电探测器和太阳能电池等。为了研究黑色磷光体在纳米电子器件中应用的微观机制，我们构建了Au作为电极来匹配黑磷烯，对黑磷烯势垒隧道结的电子运输性质进行了计算，包括界面电子态和透射光谱，以及施加栅极电压以研究场效应晶体管的性能。

1黑磷烯负隧道结构的构建和计算参数

本工作构建的黑磷烯负微分电阻场效应管是一种基于金黑磷烯的晶体管。当沿着锯齿型（zigzag）方向和扶手椅型（armchair）排列的黑磷烯与金电极（100）表面（见图1a和图1b）接触时，可以发现锯齿（zigzag）型方向可以形成独特的电子整流和负微分电阻效应。

本文的计算是基于密度泛函理论和非平衡格林函数相结合的方法进行的。该系统可分为3个部分：左电极、右电极和散射区，用于对于金电极100面和二维层状材料黑磷烯zigzag方向的接触表面部分被充分弛豫，直到原子间的作用力小于0.05 eV/。我们使用Au（100）表面作为左右电极，沿着两个方向（Z字形和扶手椅）的黑色磷光体作为器件区域，其中也包含部分引线［4］。透射光谱的计算公式为：T（E，V）=Tr［TL（E，V）］G（E，V）TR（E，V）G+（E，V）（2）其中，T（E，V）是左/右电极和散射区之间的耦合矩阵，G（E，V）表示与偏置电压V的延迟格林函数。通过黑磷隧道结，电流可以通过如下公式得到：I=2eh∫μLμRT（E，Vb）［fL（E-μL）-fR（E-μR）］dE（3）其中，fL，R=1/（1+e（E-μL，R）/kBT）是费米狄拉克（Fermi-Dirac）分布，μL，R是左右电极的化学势。T（E，Vb）是在能量E和偏置电压Vb下的透射系数，电子温度是300 K。

2黑磷烯负微分电阻场效应管性质研究

根据计算结果，我们在图2画出了金黑磷烯沿着扶手椅型（armchair）方向的电流电压关系图；该图显示电流变化如下：在0～0.6 V的范围内，电流增加相对平缓；在0.6～1.0 V的范围内，电流开始快速增加；在整个0.0～1.0 V电压区间，电流值随着偏置电压的增加始终处于增加状态，未出现负微分电阻现象。

图3显示了基于金黑磷烯的沿锯齿型方向的电流电压关系图；该图显示电流变化如下：在0～0.5 V的范围内，电流快速增加；在0.50～0.60 V的范围内，电流增加非常缓慢；然而在0.60～0.90 V的范围内，电流达到饱和并且随着偏置电压的增加而略微降低；在0.80～1.00 V的范围内，电流重新增加。加入1.0、1.5和2.0 V门电压后，观察电流电压曲线，同样在约0.60～0.90 V的偏压范围内，出现了负微分电阻现象。

图4给出了基于金黑磷烯的沿锯齿形方向在门电压为0.0 V时的透射谱。该图显示了该双电极输运系统的几种不同偏置情况的透射谱。几个有限偏压被施加到左电极和右电极时，导致左右电极的电化学势向下和向上移动Vb/2。在0.00～1.08 V之间的不同偏压（Vb）中，该透射谱表现出类似的峰和特性。

通过对比费米能级附近的不同偏压下的峰值，可以看到，随着偏压逐渐增加，峰向下移动。值得关注的是，对于高于费米能级的零偏压，存在分别位于0.80和1.26 eV的两个小T（Vb，E）峰。当在0.20～1.08 V的范围内施加偏压时，两个T（Vb，E）峰向左移动。特别是在0.60～0.90 V的范围内，注意到一个小的T（Vb，E）峰值进入在0.72 eV附近的透射窗口并逐渐变弱，这是该双电极输运系统中负微分电阻效应的起源。考虑到金电极100面与黑磷烯zigzag方向相邻原子的耦合，随着偏置电压的增加，电子轨道能态的结合变弱，导致该金黑磷烯隧道结形成了有趣的微分电阻效应。

3总结

本工作利用二维层状材料黑鳞烯为直接带隙p型半导体的特点，通过和金电极（100）表面态之间杂化效应而设计的一种场效应晶体管器件，其结构包括一个源极（source）、一个漏极（drain）、一个狭窄的通道（narrow channel）和一个能控制电流的门极（gate）。两个金电极之间的间距为纳米量级，中间散射区为单层的二维层状材料黑磷烯，沿着z轴方向排列构成三明治层状结构。由于黑磷烯具有独特的直接带隙半导体的电子特性，沿着锯齿（zigzag）型方向排列的黑磷烯与金电极（100）表面接触，可以形成独特的电子整流和负微分电阻效应。本文理论上提供一种制备二维层状材料黑磷烯的负微分电阻场效应晶体管器件的方法。该晶体器件的负微分电阻效应在门电压的作用下也比较稳定，与器件的半导体衬底材料无关，该负微分电阻晶体器件优良，结构新颖，可以广泛应用于半导体纳米晶体器件当中。

参考文献：

［1］Likai Li， Yijun Yu， Guo Jun Ye， et al， Black phosphorus field-effect transistors ［J］. Nature Nanotechnology， 2014 （9）： 372377.

［2］Shaohua Zhou， Changhua Bao， et al， Pseudospin-selective floquet band engineering in black phosphorus ［J］. Nature， 2023（614）： 7580.

［3］HAN LIU， ADAM T. NEAL， et al， The effect of dielectric capping on few-layer phosphorene transistors： tuning the schottky barrier heights ［J］. Ieee Electron Device Letters， 2014 （35）： 795797.

［4］SAN-HUANG KE， HAROLD U BARANGER and WEITAO YANG. Molecular conductance： chemical trends of anchoring groups［J］. J. Am. Chem. Soc， 2004（126）， 15897904.