近日，南京航空航天大学郭万林院士/刘衍朋教授团队在Adv. Funct. Mater.期刊上发表了题为“Evolution of Graphene Dirac Fermions in Electric double-layer Transistors with a Soft Barrier”的研究论文。
新型石墨烯电双层晶体管
导读：
石墨烯，具有Dirac结构和超高迁移率等特性，被视为后摩尔时代应用前景最为广阔的明星材料之一。但超大的比表面积和单原子层的厚度使其极易受到外界因素的干扰（Every rose has its thorn），成为阻碍石墨烯基电子元器件集成应用的绊脚石。南京航空航天大学郭万林院士团队刘衍朋教授课题组开发出一种高品质石墨烯/磷烯双栅极晶体管（electric double-layer transistor），详细研究了石墨烯电双层晶体管的输运特性，对比微观能谱，构造了电双层晶体管的场效应模型，并观察到了电荷转移量子霍尔效应，不仅为晶体管设计提供了新路径，也为介电材料选择打开了新视野。
图1. 石墨烯电双层晶体管的场效应载流子分布示意图
电双层晶体管的器件性能研究
石墨烯的电阻曲线呈现出阶梯状分布，这可能源于BP底层在背栅调控下的双极性转变。为了验证这一猜想，作者首先通过第一性原理模拟出石墨烯与多层磷烯的界面化学势与外加垂直电场的关系，并结合扫描隧道显微镜（STM）的原位能谱测试分析，验证出BP作为介电层情况下，背栅对样品表面化学势的调控行为，进一步验证了多层黑磷介电层作为电场调控材料的可行性。
图2. 背栅调控石墨烯电双层晶体管的输运特征曲线和相应能带结构关系
电荷转移量子霍尔效应
为了进一步探索电双层晶体管中石墨烯费米子的特性，作者进行了磁场调制下的电子行为研究。石墨烯BP顶层的化学势受到顶栅的调控而改变，当BP顶层费米能级处于带隙内，只观测到石墨烯的量子霍尔效应；当BP顶层费米能级处于价带，由于界面化学势之差和界面电容的存在，观察到电荷转移霍尔效应。作者结合石墨烯的能带结构，计算了BP顶层的量子电容和层间电荷分布。结合独特的电双层结构，电荷转移量子霍尔效应具有丰富的栅极调控自由度。当增加电双层晶体管的石墨烯层数时，石墨烯与磷烯的界面耦合增加，表现出增强的界面屏蔽特性。
图3. 电荷转移量子霍尔效应 (charge-transfer quantum Hall effect)
结论与展望
综上，本研究展示了多层黑磷（BP）作为一种多功能且广泛可调的候选介电材料，并基于其自发极化可用来构筑电双层晶体管。通过对石墨烯磷烯异质结的输运特性和微观结构研究，作者成功实现了电双层晶体管的静电调控并观测到了电荷转移量子霍尔效应。电双层晶体管作为一种新型器件结构，在石墨烯电子学和光电子学领域具有广阔的应用前景，这将为实现更高性能和更低能耗的电子器件提供重要的理论指导和实验基础。
作者和资助信息
第一作者为林繁荣博士，刘佳伟博士（新加坡国立大学）和陆欢博士，通讯作者为郭万林院士和刘衍朋教授。该研究得到了航空航天结构力学及控制全国重点实验室、纳智能材料器件教育部重点实验室、天元实验室、南航分析测试中心和南航高性能计算平台等的支持，以及国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、中央高校基本科研业务费、科工局稳定支持国防特色学科基础研究等项目的资助。
Fanrong Lin, Jiawei Liu, Huan Lu, Xin Liu, Ying Liu, Zhili Hu, Pin Lyu, Zhuhua Zhang, Jens Martin, Wanlin Guo* and Yanpeng Liu*. Evolution of Graphene Dirac Fermions in Electric double-layer Transistors with a Soft Barrier, Advanced Functional Materials. 10.1002/adfm.202400553, (2024)
论文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202400553