MX2型二维半导体载流子迁移率理论预测
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ｂｅｔｔｅｒ ｔｗｏｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｆｏｒ ｆｕｔｕｒｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｄｅｖｉｃｅｓ．
； 收稿日期：２０１８０７１１ 修回日期：２０１８１０２６ 基金项目：国家重点研发计划（批准号：２０１７ＹＦＢ０４０６４０３）和国家高技术研究发展计划（批准号：２０１５ＡＡ０３４２０２）资助的课题 联系人作者：张文旭（１９７７）男，副教授，主要从事计算材料学研究。Ｅｍａｉｌ：ｘｗｚｈａｎｇ＠ ｕｅｓｔｃ． ｅｄｕ． ｃｎ
ｔｉａｌ ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｉｏｎ． Ｌｏｎｇ ｗａｖｅ ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ ａｃｏｕｓｔｉｃａｌ ａｎｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｐｈｏｎｏｎ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇｓ ａｒｅ ｉｎｃｌｕｄｅｄ． Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｉｎ ｔｈｅ
， ， ， ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ ｗｉｔｈｏｕｔ ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ ｓｙｍｍｅｔｒｙ ｉｓ ａｌｓｏ ｔａｋｅｎ ｉｎｔｏ ａｃｃｏｕｎｔ． Ｗｅ ｆｏｕｎｄ ｔｈａｔ ｏｕｔ ｏｆ ｔｈｅ １４ ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ ＷＳ２ ＰｔＳ２ ａｎｄ ＰｔＳｅ２ ａｒｅ
Ｔｈｅ ｕｐｐｅｒ ｌｉｍｉｔ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ａｎｄ ｈｏｌｅ ｍｏｂｉｌｉｔｉｅｓ ｉｎ ｔｗｏ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ＭＸ２ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ
， ， ， ＨＥ Ｙｕａｎｄｅ１，２ ＨＵＡＮＧ Ｚｈｉｓｕｏ２ ＱＩＮ Ｊｉａｎｔａｏ２ ＺＨＮＡ Ｗｅｎｘｕ２＋
（ ， ， ， ； １． Ｃｅｎｔｅｒ ｏｆ ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ ｓｃｉｅｎｃｅ Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ Ｍｉｎｚｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１００４１ Ｃｈｉｎａ ， ２． Ｓｔａｔｅ ｋｅｙ ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｔｈｉｎ ｆｉｌｍｓ ａｎｄ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｄｅｖｉｃｅｓ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ
， ， ） Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｃｈｉｎａ Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１００５４ Ｃｈｉｎａ
： ， （ Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｗｅ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ａｎｄ ｈｏｌｅ ｍｏｂｉｌｉｔｙ ｏｆ １４ ｔｗｏ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ ｗｉｔｈ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ＭＸ２ ｗｈｅｒｅ Ｍ ＝ ， ， ， ， ） ， ， Ｍｏ Ｗ Ｓｎ Ｈｆ Ｚｒ ａｎｄ Ｐｔ ｉｓ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ｍｅｔａｌ ａｎｄ Ｘ ｉｓ Ｓ Ｓｅ ａｎｄ Ｔｅ． Ｗｅ ｔｒｅａｔｅｄ ｔｈｅ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｍａｔｒｉｘ ｂｙ ｔｈｅ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｐｏｔｅｎ
２４０
化学研究与应用
： ， ， Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ Ｔｗｏ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ ｍｏｂｉｌｉｔｙ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ
第 ３１ 卷
在关于 ＭｏＳ２ 的开创性的工作［１］之后，一个或 研究发现，ｐ 型 ＷＳｅ２ 可能获得和 Ｓｉ 相当的室温空
第 期
第 卷第 ３１ 年 ２２０１９ ２
２月期ห้องสมุดไป่ตู้
马 岚，等：响应面Ｃｈｅ法ｍ化ｉ优ｃａｌ学化Ｒｅ蒙研ｓｅａ药ｒ究ｃ瞿ｈ ａ与麦ｎｄ中Ａ应ｐ总ｐ用ｌｉｃ生ａｔｉ物ｏｎ碱提取工艺研究
， Ｖｏｌ． ３１ ， Ｆｅｂ．
２Ｎ０１ｏ９． ２
文章编号： （ ） １００４１６５６ ２０１９ ０２０２３９０８
ＭＸ２ 型二维半导体载流子迁移率理论预测
何远德１，２，黄志硕２，覃检涛２，张文旭２
（１． 西南民族大学计算中心，四川 成都 ； ６１００４１ ２． 电子科技大学电子科学与工程学院，四川 成都 ） ６１１７３１
摘要：为找到未来半导体晶体管合适的沟道材料，计算了 １４ 种 ＭＸ２（其中 Ｍ ＝ ， ， ， ， Ｍｏ Ｗ Ｓｎ Ｈｆ Ｚｒ 和 ，Ｐｔ Ｘ＝ ，Ｓ Ｓｅ 和 Ｔｅ）型二维半导体载流子有效质量、带隙以及电子和空穴迁移率。在计算过程中，为了快速对载流子迁移 率进行估计，利用形变势的近似电声耦合矩阵元。计算时考虑长波光学声子和声学声子的散射，而在极化晶 体中，考虑了极化散射。计算结果表面，ＷＳ２，ＰｔＳ２ 以及 ＰｔＳｅ２ 具有最高的电子迁移率以及非零的带隙。其中， ＰｔＳｅ２ 的电子在室温下的理论迁移率上限为 ４０００ ｃｍ２·Ｖ－１ ·ｓ－１，而 ，Ｗ Ｈｆ 和 Ｚｒ 的二维化合物室温时的空穴 迁移率较高，其中含 Ｗ 的化合物理论迁移率上限到 ２６００ ｃｍ２·Ｖ－１·ｓ－１。该计算研究为实验合成高迁移率的 二维材料提供指导，同时为实验获得高性能以二维材料作为沟道的场效应晶体管提供参考，加速二维材料的 应用。 关键词：二维半导体，迁移率，形变势 中图分类号：Ｏ６４９ ４ 文献标志码：Ａ
ｐｒｏｍｉｓｉｎｇ ｒｅｇａｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｐｏｓｓｉｂｌｅ ｈｉｇｈ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｏｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｆｉｎｉｔｅ ｂａｎｄ ｇａｐ． Ｔｈｅ ｐｈｏｎｏｎ ｌｉｍｉｔｅｄ ｍｏｂｉｌｉｔｙ ｉｎ ＰｔＳｅ２ ｒｅａｃｈｅｓ ａｂｏｕｔ
· · ， ， ４０００ ｃｍ２ Ｖ－１ ｓ－１ ａｔ ｒｏｏｍ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｔｈｅ ｈｉｇｈｅｓｔ ａｍｏｎｇ ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ． Ｗｈｉｌｅ ＷＸ２ ＨｆＸ２ ａｎｄ ＺｒＸ２ ｄｕｅ ｔｏ ｔｈｅ ｐｏｓｓｉ ， · · ｂｌｅ ｈｉｇｈ ｈｏｌｅ ｍｏｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｆｉｎｉｔｅ ｂａｎｄ ｇａｐ ａｒｅ ａｌｓｏ ｐｒｏｍｉｓｉｎｇ． Ｔｈｅ ｐｈｏｎｏｎ ｌｉｍｉｔｅｄ ｍｏｂｉｌｉｔｉｅｓ ｉｎ ＷＸ２ ｒｅａｃｈ ａｂｏｕｔ ２６００ ｃｍ２ Ｖ－１ ， ｓ－１ ａｔ ｒｏｏｍ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｍｕｃｈ ｌａｒｇｅｒ ｔｈａｎ ｔｈｅｉｒ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｏｂｉｌｉｔｙ． Ｏｕｒ ｒｅｓｕｌｔｓ ｃａｎ ｂｅ ａ ｇｕｉｄｅ ｆｏｒ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｔｏ ｓｅａｒｃｈ ｆｏｒ
； 收稿日期：２０１８０７１１ 修回日期：２０１８１０２６ 基金项目：国家重点研发计划（批准号：２０１７ＹＦＢ０４０６４０３）和国家高技术研究发展计划（批准号：２０１５ＡＡ０３４２０２）资助的课题 联系人作者：张文旭（１９７７）男，副教授，主要从事计算材料学研究。Ｅｍａｉｌ：ｘｗｚｈａｎｇ＠ ｕｅｓｔｃ． ｅｄｕ． ｃｎ
ｔｉａｌ ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｉｏｎ． Ｌｏｎｇ ｗａｖｅ ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ ａｃｏｕｓｔｉｃａｌ ａｎｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｐｈｏｎｏｎ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇｓ ａｒｅ ｉｎｃｌｕｄｅｄ． Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｉｎ ｔｈｅ
， ， ， ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ ｗｉｔｈｏｕｔ ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ ｓｙｍｍｅｔｒｙ ｉｓ ａｌｓｏ ｔａｋｅｎ ｉｎｔｏ ａｃｃｏｕｎｔ． Ｗｅ ｆｏｕｎｄ ｔｈａｔ ｏｕｔ ｏｆ ｔｈｅ １４ ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ ＷＳ２ ＰｔＳ２ ａｎｄ ＰｔＳｅ２ ａｒｅ
Ｔｈｅ ｕｐｐｅｒ ｌｉｍｉｔ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ａｎｄ ｈｏｌｅ ｍｏｂｉｌｉｔｉｅｓ ｉｎ ｔｗｏ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ＭＸ２ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ
， ， ， ＨＥ Ｙｕａｎｄｅ１，２ ＨＵＡＮＧ Ｚｈｉｓｕｏ２ ＱＩＮ Ｊｉａｎｔａｏ２ ＺＨＮＡ Ｗｅｎｘｕ２＋
（ ， ， ， ； １． Ｃｅｎｔｅｒ ｏｆ ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ ｓｃｉｅｎｃｅ Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ Ｍｉｎｚｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１００４１ Ｃｈｉｎａ ， ２． Ｓｔａｔｅ ｋｅｙ ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｔｈｉｎ ｆｉｌｍｓ ａｎｄ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｄｅｖｉｃｅｓ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ
， ， ） Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｃｈｉｎａ Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１００５４ Ｃｈｉｎａ
： ， （ Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｗｅ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ａｎｄ ｈｏｌｅ ｍｏｂｉｌｉｔｙ ｏｆ １４ ｔｗｏ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ ｗｉｔｈ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ＭＸ２ ｗｈｅｒｅ Ｍ ＝ ， ， ， ， ） ， ， Ｍｏ Ｗ Ｓｎ Ｈｆ Ｚｒ ａｎｄ Ｐｔ ｉｓ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ｍｅｔａｌ ａｎｄ Ｘ ｉｓ Ｓ Ｓｅ ａｎｄ Ｔｅ． Ｗｅ ｔｒｅａｔｅｄ ｔｈｅ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｍａｔｒｉｘ ｂｙ ｔｈｅ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｐｏｔｅｎ
２４０
化学研究与应用
： ， ， Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ Ｔｗｏ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ ｍｏｂｉｌｉｔｙ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ
第 ３１ 卷
在关于 ＭｏＳ２ 的开创性的工作［１］之后，一个或 研究发现，ｐ 型 ＷＳｅ２ 可能获得和 Ｓｉ 相当的室温空
第 期
第 卷第 ３１ 年 ２２０１９ ２
２月期ห้องสมุดไป่ตู้
马 岚，等：响应面Ｃｈｅ法ｍ化ｉ优ｃａｌ学化Ｒｅ蒙研ｓｅａ药ｒ究ｃ瞿ｈ ａ与麦ｎｄ中Ａ应ｐ总ｐ用ｌｉｃ生ａｔｉ物ｏｎ碱提取工艺研究
， Ｖｏｌ． ３１ ， Ｆｅｂ．
２Ｎ０１ｏ９． ２
文章编号： （ ） １００４１６５６ ２０１９ ０２０２３９０８
ＭＸ２ 型二维半导体载流子迁移率理论预测
何远德１，２，黄志硕２，覃检涛２，张文旭２
（１． 西南民族大学计算中心，四川 成都 ； ６１００４１ ２． 电子科技大学电子科学与工程学院，四川 成都 ） ６１１７３１
摘要：为找到未来半导体晶体管合适的沟道材料，计算了 １４ 种 ＭＸ２（其中 Ｍ ＝ ， ， ， ， Ｍｏ Ｗ Ｓｎ Ｈｆ Ｚｒ 和 ，Ｐｔ Ｘ＝ ，Ｓ Ｓｅ 和 Ｔｅ）型二维半导体载流子有效质量、带隙以及电子和空穴迁移率。在计算过程中，为了快速对载流子迁移 率进行估计，利用形变势的近似电声耦合矩阵元。计算时考虑长波光学声子和声学声子的散射，而在极化晶 体中，考虑了极化散射。计算结果表面，ＷＳ２，ＰｔＳ２ 以及 ＰｔＳｅ２ 具有最高的电子迁移率以及非零的带隙。其中， ＰｔＳｅ２ 的电子在室温下的理论迁移率上限为 ４０００ ｃｍ２·Ｖ－１ ·ｓ－１，而 ，Ｗ Ｈｆ 和 Ｚｒ 的二维化合物室温时的空穴 迁移率较高，其中含 Ｗ 的化合物理论迁移率上限到 ２６００ ｃｍ２·Ｖ－１·ｓ－１。该计算研究为实验合成高迁移率的 二维材料提供指导，同时为实验获得高性能以二维材料作为沟道的场效应晶体管提供参考，加速二维材料的 应用。 关键词：二维半导体，迁移率，形变势 中图分类号：Ｏ６４９ ４ 文献标志码：Ａ
ｐｒｏｍｉｓｉｎｇ ｒｅｇａｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｐｏｓｓｉｂｌｅ ｈｉｇｈ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｏｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｆｉｎｉｔｅ ｂａｎｄ ｇａｐ． Ｔｈｅ ｐｈｏｎｏｎ ｌｉｍｉｔｅｄ ｍｏｂｉｌｉｔｙ ｉｎ ＰｔＳｅ２ ｒｅａｃｈｅｓ ａｂｏｕｔ
· · ， ， ４０００ ｃｍ２ Ｖ－１ ｓ－１ ａｔ ｒｏｏｍ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｔｈｅ ｈｉｇｈｅｓｔ ａｍｏｎｇ ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ． Ｗｈｉｌｅ ＷＸ２ ＨｆＸ２ ａｎｄ ＺｒＸ２ ｄｕｅ ｔｏ ｔｈｅ ｐｏｓｓｉ ， · · ｂｌｅ ｈｉｇｈ ｈｏｌｅ ｍｏｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｆｉｎｉｔｅ ｂａｎｄ ｇａｐ ａｒｅ ａｌｓｏ ｐｒｏｍｉｓｉｎｇ． Ｔｈｅ ｐｈｏｎｏｎ ｌｉｍｉｔｅｄ ｍｏｂｉｌｉｔｉｅｓ ｉｎ ＷＸ２ ｒｅａｃｈ ａｂｏｕｔ ２６００ ｃｍ２ Ｖ－１ ， ｓ－１ ａｔ ｒｏｏｍ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｍｕｃｈ ｌａｒｇｅｒ ｔｈａｎ ｔｈｅｉｒ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｏｂｉｌｉｔｙ． Ｏｕｒ ｒｅｓｕｌｔｓ ｃａｎ ｂｅ ａ ｇｕｉｄｅ ｆｏｒ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｔｏ ｓｅａｒｃｈ ｆｏｒ