UT Austin刘远越 JACS：为什么二维金属硫属化物的载流子迁移率低？

【引言】

二维金属硫属化物由于其在晶体管、光电探测器以及光电化学能量转换等方面的潜在应用引起了科研工作者的广泛关注。这些材料通常只有几个原子层的厚度，因此可通过电磁场以及光的作用，有效调节其材料内部的电荷传输。然而，单层的二维金属硫属化物往往具有较低的载流子迁移率并且在不同实验条件下测量结果不尽相同，且通常在室温下小于300 cm²V^-1s^-1。作为对比，硅和砷化镓在室温下其电子迁移率约为1400和8500 cm²V^-1s^-1。这个显著的差距极大的限制了二维金属硫属化物作为高迁移率半导体组件的应用，因此，充分理解迁移率限制因素以及找到较高迁移率二维半导体材料极其重要。

载流子迁移率的大小表征了电子和空穴被电场驱动时的输运速度，其大小取决于材料内部的散射机制。本征迁移率由声子散射所决定。形变势理论被广泛应用于计算材料的本征迁移率。然而，通常的形变势理论只考虑了纵声学声子的散射。这些简化使得形变势理论给出的迁移率不够准确甚至是错误的。要给出更为准确的迁移率，我们需要计算每一个散射过程的电声子散射矩阵元。

【成果简介】

近日，JACS在线刊登了美国得克萨斯大学奥斯汀分校的程龙博士和刘远越教授(通讯作者)发表的题为“What Limits the Intrinsic Mobility of Electrons and Holes in Two Dimensional Metal Dichalcogenides?”的文章 （J. Am. Chem. Soc., 2018, DOI: 10.1021/jacs.8b07871）。此文利用密度泛函微扰理论和电声子瓦尼尔插值得出电声耦合矩阵，研究了一系列二维金属硫属化物的本征迁移率。研究发现，与常规认知不同，二维金属硫属化物的本征载流子迁移率既不与有效质量显著相关，也不能通过广泛使用的形变势理论来评估。大多数二维金属硫属化物的迁移率取决于纵向光学(LO)声子散射，而对于MoS₂和WS₂，其迁移率则取决于纵向声学(LA)声子散射。更进一步的研究表明，LO声子散射强度与波恩有效电荷的大小密切相关，这预示着载流子传输受原子振动引起的电极化变化的影响很大。基于此发现，可以利用波恩有效电荷从二维金属硫属化物数据库中快速筛选出可能具有高迁移率的半导体材料。

【图文导读】

图一 利用电声子矩阵得到的迁移率与带隙以及有效质量没有明显的相关性，形变势理论明显的的错误预测了本征迁移率

H相和T相的MX₂的俯视图和侧视图；

利用电声子矩阵得到的迁移率与带隙的关系图；

利用电声子矩阵得到的迁移率随与效质量的关系图；

利用电声子矩阵得到的迁移率与形变势理论预测的迁移率的关系图。

图二 一系列二维硫属化物的迁移率

H相的MoS₂的模式分辨的声子谱以及相应的LO和LA声子支的振动模式；

一系列MX₂的LA， LO，LA+LO和总的迁移率。

图三 一系列二维硫属化物的迁移率以及波恩有效电荷

一系列MX₂的波恩有效电荷和LO-迁移率，插图为第一性原理计算和解析公式给出的LO-迁移率；

总的电子迁移率与波恩有效电荷的关系，插图为LO声子振动模式对电极化的改变。

【小结】

本文基于电声子矩阵，精确的计算了一系列二维硫属化物的本征迁移率。与通常的看法不同，本征迁移率与有效质量没有明显的相关性，并且广泛使用的形变势理论并不能正确的预测迁移率。进一步的将对迁移率的贡献分到每一支声子模式后，研究发现对于大多数二维金属硫属化物，本征迁移率主要由LO支声子主导，而对于MoS₂和WS₂，迁移率由LA支声子主导。本文还推导了一个解析的公式，基于此公式计算出的LO支声子的散射与第一性原理计算的LO支声子的散射的结果吻合。基于解析公式的进一步分析发现LO支声子的散射与波恩有效电荷有很强的相关性。本文最后还用波恩有效电荷快速筛选了二维硫属化物数据库来寻找具有高迁移率的材料。本工作揭示了控制二维金属硫属化物的物理因素，为发现高迁移率材料提供了有效的描述符。并且为预测二维材料的迁移率提供了一个有效的范式，从而为二维材料的发展迈出了关键的一步。

文献连接：What Limits the Intrinsic Mobility of Electrons and Holes in Two Dimensional Metal Dichalcogenides?(J. Am. Chem. Soc., 2018, DOI: 10.1021/jacs.8b07871)

导师简介：

Yuanyue Liu group link: https://sites.utexas.edu/yuanyue-liu/

刘远越课题组主要从事低维/能源/电子材料的理论和计算研究。以独立第一作者或通讯作者身份在Nature Energy, PNAS, Science Advances, JACS, Angew., PRL, Nano Letters, ACS Nano等杂志上发表多篇文章。

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