Only Perception: 科學家研究電如何在多層 2D 材料中流動

2013-07-12

科學家研究電如何在多層 2D 材料中流動

Scientists investigate how electric current flows in multilayer 2-D materials
http://phys.org/news/2013-07-scientists-electric-current-multilayer-d.html

By Lisa Zyga, 2013.07.011

(Phys.org) -- 雖然科學家不斷在石墨烯與過渡金屬二硫化物（transition metal dichalcogenides，TMDs）這樣的奈米材料中發現卓越的電氣特性，但在這種尺度下的電流流動卻仍未完全理解。在一項新研究中，科學家首度精確研究電如何流經多層次的 2D 材料，並發現在這些材料中與在 3D 材料中的電流非常不同，而且無法以傳統的模型來解釋。這種領會，能指引研究者設計未來的奈米電子裝置。

這些研究者（Purdue 大學的 Saptarshi Das 與 Joerg Appenzeller）將他們的 2D 成層材料中的電流論文發表在最近一期的 Nano Letters 上。

"透過我們的實驗性方法，我們設計出一種新方法以理解流經這些低維度材料的電流，而我們也發現，傳統的、應用到大型材料的載體傳輸（carrier transport）模型，用於成層的 2D 系統中需經過修訂，" Das 表示。

在他們的研究中，科學家實驗性地評估電流在 2D MoS2 製成之電晶體中的流動與分佈。電晶體約 8 nm 厚，約由 13 層組成。

如同科學家的解釋，個別分層中的電流無法直接進行測量。所以他們設計一種替代方法來測繪電流在多個分層中的分佈，那涉及利用一具掃描電子顯微鏡進行通道長度縮放（channel length scaling）。

科學家發現 2D MoS2 中的電流分散在 13 層之間，所以上面幾層有最高的遷移性（mobility，遷移率）與最低的阻力（resistances，電阻），而下面幾層有最低的遷移率與最高的電阻。藉由計算個別分層中的加權平均電流，研究者測定「熱點」的位置與電流的分佈中心一致，在此例中那就是上面幾層。

然而，當科學家改變施加在閘極的偏壓時，「熱點」的位置也改變了。在高閘極偏壓值下，每一層的電阻變低，而「熱點」位於上面幾層。但是當閘極偏壓減少時，電阻增加且「熱點」遷移到下面幾層。「熱點」不尋常的遷移成為所施偏壓的一種函數，亦導致一種額外的阻力，研究者稱為「間層電阻（interlayer resistance）」，那在 3D 材料中找不到，而且無法以傳統的、基於蕭基特能障接點（Schottky barrier contacts）的電流模型來解釋。

科學家亦實驗性地評估電流在大約 13 層 2D 石墨烯中的分佈，並觀察到與 MoS2 相反的效應。換句話說，研究者發現電流主要在石墨烯底部幾層流動，而那正是「熱點」所在之處，而頂部幾層則有較高的電阻。研究者解釋，之所以出現這樣的差異是因為石墨烯與 MoS2 具有不同的物理特性，而「熱點」的位置是由材料的物理特性所主宰。藉由了解多層 2D 材料的物理特性，「熱點」的位置就能夠以 5% 的誤差範圍來預測。

了解電流在多層 2D 材料中的流動及分佈 -- 並明白這些特徵隨著材料不同而不同 -- 在設計未來的電子元件時將很有可能證明非常有用。

"了解低維度材料中的載體傳輸不僅僅是來自於基礎科學的觀點，在高效能裝置設計的情境中也同樣重要，" Das 表示。"我們的實驗性研究與分析式塑模（analytical modeling）結合，為二維分層材料（如 MoS2 與石墨烯）中的電流提供了新洞見，那對於在這個領域中進行研究的許多研究者來說，將有所幫助。" Das 補充道，他未來的研究將聚焦在那些概念是基於新奇 2D 材料（那利用它們獨特的電氣、力學與光學特性）之新裝置的實作上。

※ 相關報導：

＊ Where Does the Current Flow in Two-Dimensional Layered Systems?
http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl401831u