近日，北京大学物理学院吕劲课题组在全金属晶体管研究方面取得重要进展，相关工作以“All-metallic Vertical Transistors Based on Stacked Dirac Materials”为题，在线发表于材料科学顶级期刊《先进功能材料》【Adv. Funct. Mater.(2014)，DOI: 10.1002/adfm.201402904】上。

因为硅基半导体性能提升正趋于其物理极限，使用金属替代半导体作为场效应晶体管的沟道材料一直是人们的追求。全金属的场效应管能以更低的能量损耗工作在更短的沟道长度，并且具备更好的高频表现。狄拉克材料石墨烯、硅烯和锗烯都有超薄的单原子层厚度和极高的电子迁移率，在高速电子器件方面有很大的应用潜力。但是它们本身能隙为零，做成的晶体管尽管有一定的开关比，但数值太低(10左右)。任何可成功替代硅基互补式金属氧化物半导体场效应管的逻辑器件必须具有高达104～107的开关比，这要求器件具有一个大于0.4eV的输运能隙。但之前传统的打开能隙的方案由于获得的能隙较小(<0.3eV)，相应器件的电流开关比只有1000以下。吕劲课题组研究发现，在垂直异质狄拉克材料中由于能量动量失配，费米面附近的电子从一个狄拉克材料输运到另一个狄拉克材料在无声子协助的情况下是被禁止的。尽管垂直异质狄拉克材料本身是全金属性的，在其单门场效应管中却可以观察到一个大于0.4eV的输运能隙，而且开关比高达107。这样一个奇特的性质不受异质材料的相对旋转的影响，还可以扩展到同质的双层旋转石墨烯中。该理论为实现基于狄拉克材料的全金属高表现场效应管提供了一个新的途径。

上述论文的第一作者是北京大学物理学院与麻省理工学院联合培养的博士生王洋洋，目前在麻省理工学院从事研究。合作者有物理学院的俞大鹏、史俊杰、杨金波教授及麻省理工学院的李巨教授。

硅烯总是生长在一定的衬底上的。生长在衬底上的硅烯其狄拉克锥是否存在，是人们关注的问题。吕劲课题组研究了硅烯与一系列金属衬底的界面的电子结构，揭示了硅烯的狄拉克锥由于与衬底的强烈能带杂化，无一例外全被破坏。与此同时，他们提出了一个可恢复硅烯狄拉克锥的方案：硅烯与金属衬底之间插入碱金属。夹层中的碱金属原子会减弱硅烯与衬底的相互作用，而碱金属本身对于硅烯的狄拉克锥影响较小，从而使得其狄拉克锥得到恢复。相关工作最近发表在Scientific Reports上【Sci. Rep. 4, 5476 (2014)，DOI: 10.1038/srep05476】，题为“Does the Dirac Cone Exist in Silicene on Metal Substrates?”。该论文的第一作者是北京大学前沿交叉学科研究院和物理学院与瑞士苏黎世联邦高工联合培养的博士生屈贺如歌。

上述研究工作得到了国家自然科学基金，国家重大研究计划，“人工微结构和介观物理”国家重点实验室以及量子物质科学协同创新中心的支持。