【產(chǎn)通社，5月31日訊】中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所（Institute of Semiconductors Chinese Academy of Sciences, ISCAS）官網(wǎng)消息，黑磷是一種與石墨類似的層狀材料，磷原子在平面內(nèi)通過共價(jià)鍵結(jié)合，層間通過范德瓦爾斯相互作用耦合在一起。復(fù)旦大學(xué)張遠(yuǎn)波教授和中科大陳仙輝教授的實(shí)驗(yàn)組與普渡大學(xué)葉培德教授實(shí)驗(yàn)組同時(shí)獨(dú)立通過機(jī)械剝離方法，可以得到原子級厚度的黑磷薄膜并制備出場效應(yīng)管原型器件。

相比于石墨烯和單層過渡金屬族硫化物，黑磷薄膜有如下三大特征：
（1）具有半導(dǎo)體的有限帶隙，且可通過改變層厚、應(yīng)變和摻雜濃度在0.3-2.0eV范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)控，利用此特點(diǎn)制造高開/關(guān)比（105）的晶體管和低耗高性能的邏輯電路，實(shí)現(xiàn)不同波段（中紅外、近紅外）的探測器和調(diào)制器。
（2）高遷移率，黒磷遷移率高達(dá)1000cm2V-1S-1，充分滿足器件高速的要求。
（3）強(qiáng)烈的能帶各向異性。這些獨(dú)特的能帶特性，尤其是較大能隙變化范圍，為構(gòu)造寬光譜光電器件提供了新的實(shí)驗(yàn)體系，因而引起國際同行的廣泛興趣。 

半導(dǎo)體所超晶格國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士生周小英、婁文凱副研究員和常凱研究員從理論上研究了單層黑磷的朗道能級和磁輸運(yùn)性質(zhì)，給出了與數(shù)值結(jié)果吻合的朗道能級的解析表達(dá)式。由于單層黑磷能帶的各向異性，其朗道能級對應(yīng)的波函數(shù)也是空間各向異性的。作者還計(jì)算了縱向磁阻和整數(shù)霍爾電阻平臺隨磁場的變化關(guān)系，文章發(fā)表在Scientific Reports 5,12295（2015）。  

近來復(fù)旦大學(xué)張遠(yuǎn)波教授和中科大陳仙輝教授等實(shí)驗(yàn)組合作，在黑磷薄膜中觀察到了整數(shù)量子霍爾效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)中除了發(fā)現(xiàn)整數(shù)量子霍爾平臺外，還發(fā)現(xiàn)黑磷薄膜的g因子接近于2。電子的g因子決定了電子在磁場下的自旋劈裂，在半導(dǎo)體自旋電子學(xué)中有十分重要的作用。在常規(guī)半導(dǎo)體中，能帶對電子的g因子有顯著的影響，會導(dǎo)致能帶中電子g因子對真空電子g=2因子的顯著偏離。在HgTe（InSb）等窄能隙的半導(dǎo)體材料中，由于強(qiáng)烈的自旋軌道耦合，其g因子偏離尤為顯著（gHgTe=-30，gInSb=-50）。在黑磷薄膜中觀察到電子g因子接近2是個(gè)十分有趣和難解的現(xiàn)象。 

為配合理解實(shí)驗(yàn)結(jié)果，常凱理論組考慮庫侖互作用，自洽地計(jì)算了黑磷薄膜的電子結(jié)構(gòu)和自旋劈裂，發(fā)現(xiàn)黑磷薄膜中g(shù)因子接近于2主要源于兩方面的原因，一方面是磷原子較輕，自旋軌道耦合較弱，引起的自旋劈裂很小；另一方面在于重?fù)诫s的樣品中存在很強(qiáng)的內(nèi)建電場使得電子和空穴空間分離，導(dǎo)致帶間耦合極弱，從而對g因子修正極小。因此黑磷薄膜中的電子g因子接近于真空中裸電子的g因子。考慮到多體效應(yīng)對g因子的影響，發(fā)現(xiàn)朗道能級填充數(shù)是奇（偶）數(shù)時(shí)，對g因子修正最大（�。�。文章發(fā)表在Nature Nanotechnology （doi：10.1038/nnano.2016.42）上，常凱研究組承擔(dān)了其中理論分析和計(jì)算部分的工作。

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