近日，北京大學(xué)物理學(xué)院呂勁課題組在全金屬晶體管研究方面取得重要進(jìn)展，相關(guān)工作以“All-metallic Vertical Transistors Based on Stacked Dirac Materials”為題，在線發(fā)表于材料科學(xué)頂級(jí)期刊《先進(jìn)功能材料》【Adv. Funct. Mater.(2014)，DOI: 10.1002/adfm.201402904】上。

因?yàn)楣杌雽?dǎo)體性能提升正趨于其物理極限，使用金屬替代半導(dǎo)體作為場(chǎng)效應(yīng)晶體管的溝道材料一直是人們的追求。全金屬的場(chǎng)效應(yīng)管能以更低的能量損耗工作在更短的溝道長度，并且具備更好的高頻表現(xiàn)。狄拉克材料石墨烯、硅烯和鍺烯都有超薄的單原子層厚度和極高的電子遷移率，在高速電子器件方面有很大的應(yīng)用潛力。但是它們本身能隙為零，做成的晶體管盡管有一定的開關(guān)比，但數(shù)值太低(10左右)。任何可成功替代硅基互補(bǔ)式金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管的邏輯器件必須具有高達(dá)104～107的開關(guān)比，這要求器件具有一個(gè)大于0.4eV的輸運(yùn)能隙。但之前傳統(tǒng)的打開能隙的方案由于獲得的能隙較小(<0.3eV)，相應(yīng)器件的電流開關(guān)比只有1000以下。呂勁課題組研究發(fā)現(xiàn)，在垂直異質(zhì)狄拉克材料中由于能量動(dòng)量失配，費(fèi)米面附近的電子從一個(gè)狄拉克材料輸運(yùn)到另一個(gè)狄拉克材料在無聲子協(xié)助的情況下是被禁止的。盡管垂直異質(zhì)狄拉克材料本身是全金屬性的，在其單門場(chǎng)效應(yīng)管中卻可以觀察到一個(gè)大于0.4eV的輸運(yùn)能隙，而且開關(guān)比高達(dá)107。這樣一個(gè)奇特的性質(zhì)不受異質(zhì)材料的相對(duì)旋轉(zhuǎn)的影響，還可以擴(kuò)展到同質(zhì)的雙層旋轉(zhuǎn)石墨烯中。該理論為實(shí)現(xiàn)基于狄拉克材料的全金屬高表現(xiàn)場(chǎng)效應(yīng)管提供了一個(gè)新的途徑。

上述論文的第一作者是北京大學(xué)物理學(xué)院與麻省理工學(xué)院聯(lián)合培養(yǎng)的博士生王洋洋，目前在麻省理工學(xué)院從事研究。合作者有物理學(xué)院的俞大鵬、史俊杰、楊金波教授及麻省理工學(xué)院的李巨教授。

硅烯總是生長在一定的襯底上的。生長在襯底上的硅烯其狄拉克錐是否存在，是人們關(guān)注的問題。呂勁課題組研究了硅烯與一系列金屬襯底的界面的電子結(jié)構(gòu)，揭示了硅烯的狄拉克錐由于與襯底的強(qiáng)烈能帶雜化，無一例外全被破壞。與此同時(shí)，他們提出了一個(gè)可恢復(fù)硅烯狄拉克錐的方案：硅烯與金屬襯底之間插入堿金屬。夾層中的堿金屬原子會(huì)減弱硅烯與襯底的相互作用，而堿金屬本身對(duì)于硅烯的狄拉克錐影響較小，從而使得其狄拉克錐得到恢復(fù)。相關(guān)工作最近發(fā)表在Scientific Reports上【Sci. Rep. 4, 5476 (2014)，DOI: 10.1038/srep05476】，題為“Does the Dirac Cone Exist in Silicene on Metal Substrates?”。該論文的第一作者是北京大學(xué)前沿交叉學(xué)科研究院和物理學(xué)院與瑞士蘇黎世聯(lián)邦高工聯(lián)合培養(yǎng)的博士生屈賀如歌。

上述研究工作得到了國家自然科學(xué)基金，國家重大研究計(jì)劃，“人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理”國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室以及量子物質(zhì)科學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心的支持。