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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)頂級期刊《先進(jìn)功能材料》【Adv. Funct. Mater.(2014)，DOI: 10.1002/adfm.201402904】上。

因為硅基半導(dǎo)體性能提升正趨于其物理極限，使用金屬替代半導(dǎo)體作為場效應(yīng)晶體管的溝道材料一直是人們的追求。全金屬的場效應(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式金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(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大于0.4eV的輸運能隙。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量失配，費米面附近的電子從一個狄拉克材料輸運到另一個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，在其單門場效應(yīng)管中卻可以觀察到一個大于0.4eV的輸運能隙，而且開關(guān)比高達(dá)107。這樣一個奇特的性質(zhì)不受異質(zhì)材料的相對旋轉(zhuǎn)的影響，還可以擴展到同質(zhì)的雙層旋轉(zhuǎn)石墨烯中。該理論為實現(xiàn)基于狄拉克材料的全金屬高表現(xiàn)場效應(yīng)管提供了一個新的途徑。

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烈能帶雜化，無一例外全被破壞。與此同時，他們提出了一個可恢復(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減弱硅烯與襯底的相互作用，而堿金屬本身對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，國家重大研究計劃，“人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理”國家重點實驗室以及量子物質(zhì)科學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心的支持。