华中科技大学国家脉冲强磁场科学中心
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李学飞

发布日期:2017-06-29    作者:     来源:     点击:

姓名:李学飞

职称:副研究员

电话027-87792334-8113

邮箱: xfli#mail.hust.edu.cn (请将#换成@)


受教育和工作经历

2013年毕业于南京大学,获材料物理与化学专业博士学位;

2011-2013年,美国普度大学电子与计算机学院联合博士培养;

201312月至今,华中科技大学国家脉冲强磁场科学中心。


研究领域

1)二维半导体材料的可控生长与量子输运特性。

新型二维半导体材料由于其优异的电学性能和超薄体材料特性,在后摩尔时代的未来电子器件,物联网与可穿戴器件中有着广阔的应用前景,近年来成为学术界的研究热点。我们主要是通过制备此类材料的高性能电子器件,通过调控栅压,温度,光,磁场,探索其在极端条件下的量子输运现象。

2)二维半导体材料的范德华异质结功能器件。

由二维材料通过定向干法转移制备而成的范德华异质结器件,可以省却传统化合物或硅基半导体异质结形成过程中的超高真空和高温生长工艺过程,并且避免了不同材料生长过程中由于晶格常数失配和热膨胀系数失配带来的结构缺陷与位错,因此可以便捷地形成独特的、类型丰富的超薄层状异质结电子和光电功能器件。


承担的项目与课题

1)国家自然科学基金-青年项目,11404118,超薄高k 栅介质/新型窄带隙半导体MOS 器件的界面调控与电学性能研究,在研,主持。

2)湖北省自然科学基金面上项目,ZRMS2016000171,高性能二硫化钼晶体管的界面调控,在研,主持。


代表性成果(近年的教学和科研成果、专著与论文、专利、获奖)

科研成果

1)黑磷是近年来新发现的一种新型二维层状半导体材料,与石墨烯相比最大优势在于拥有带隙,且其为直接带隙半导体,具有各向异性,制备的晶体管开关比104以上,迁移率1000 cm2/V·s左右。这表明,二维黑磷场效应晶体管在纳米电子器件应用方面具有极大的潜力。由于黑磷的超薄特性,金属与少层黑磷接触的性能与经典金属-半导体肖特基结表现出不同的输运特性,基于此类肖特基结的载流子的输运机制目前也并不清楚。针对这个问题,我们研究了不同温度下金属-黑磷接触的输运性能。我们阐明了使用经典的热发射理论得到的负肖特基势垒的缘由,并且解释了在转移曲线中观察到的金属-绝缘态转变的现象。我们发现背栅电压可以调节金属-黑磷之间的肖特基势垒高度,当背栅电压超过零界点时,肖特基势垒变得很小,此时经典的热发射理论不能再用来描述载流子的输运。在背栅电压的作用下,载流子从高能尾态(次能带)遵守的麦克斯韦-玻尔兹曼分布转变为低能态费米面电子遵守的费米-狄拉克分布,因此导致了金属-绝缘态转变,并且基于此确认了两种独立的受到隧穿限制的输运区域。我们的实验与理论结果相一致,该结果对层状黑磷半导体的机理研究和电学应用具有重要的理论和实际意义。

2)通过噪声测试手段在不同温度下对双极性黑磷晶体管的电学输运和噪声机理进行了研究。结果表明黑磷晶体管表现出双极性输运特性,其p型黑磷晶体管的噪声机制为载流子浓度,而n型黑磷晶体管的噪声机制是迁移率涨落。

3)二硫化钼拥有优越的电子结构和电学性质,是一种比石墨烯更有前途的新型二维半导体材料。但是二硫化钼场效应晶体管的接触电阻很大,限制了其性能。通过使用二氯乙烷对二硫化钼进行掺杂,有效地减小了接触电阻,使电流明显增大,从而提高了器件的性能。对于沟长为100 nm MoS2/SiO2/Si器件,在20 K时其沟道电流达到800 μA/μm。同时,我们第一次观察到了负阻现象。利用脉冲IV的方法,我们对其机理进行了研究,发现这主要是由于自加热效应导致的(栅介质SiO2的热导率很低)。最后,通过表征不同温度下的低频噪声,我们分析了其噪声机理,并且发现在300 K和频率为10 Hz时,其噪声水平最低达到2.8×10-10 μm2 Hz-1 , 比文献中报道的小一个数量级。

4)六方氮化硼是石墨烯的一种优异的衬底材料。同时石墨烯在六方氮化硼上会形成二维超晶格结构,这种超晶格结构会对石墨烯的能带进行改造,在超晶格布里渊区的M点形成新的狄拉克点。因此石墨烯/氮化硼异质结构近两年来在国际二维材料和物理研究领域内引起了广泛的研究兴趣。我们通过噪声测试手段对这个超晶格结构的左边和右边的超晶格狄拉克点的特性进行了研究,结果表明噪声比普通的直流测试更灵敏,可以更清晰地观察到两个超晶格狄拉克点的位置。两个超晶格狄拉克点处的噪声不对称性也比电流不对称性更加明显。论证了在固体电子学中,作为电流波动的噪声参数可以用来表征包括能带结构在内的一些本征物理特性。在300 K和频率为10 Hz时,其噪声水平最低达到1.6×10-9 μm2 Hz-1,比SiO2衬底上的石墨烯器件的噪声小60倍。该结果对石墨烯的进一步开发和应用具有重要的理论和实际意义。

代表性论文

1Xuefei Li, Xiong Xiong, Tiaoyang Li, Sichao Li, Zhenfeng Zhang, and Yanqing Wu, Effect of Dielectric Interface on the Performance of MoS2 Transistors, ACS Appl. Mater. Interfaces, December 4, 2017, DOI: 10.1021/acsami.7b14031.

2Xuefei Li, Roberto Grassi, Sichao Li, Tiaoyang Li, Xiong Xiong, Tony Low, and Yanqing Wu, Anomalous Temperature Dependence in Metal–Black Phosphorus Contact, Nano Lett., December 5, 2017, DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b02278.

3Xuefei Li, Tiaoyang Li, Zhenfeng Zhang, Xiong Xiong, Sichao Li, and Yanqing Wu, Tunable Low-Frequency Noise in Dual-Gate MoS2 Transistors, IEEE Electron Device Lett., DOI: 10.1109/LED.2017.2771832.

3Xuefei Li, Xiong Xiong, and Yanqing Wu, Toward high-performance two-dimensional black phosphorus electronic and optoelectronic devices, Chin. Phys. B Vol. 26, No. 3 (2017) 037307.

5Xuefei Li, Tingting Gao, Yanqing Wu, Development of two-dimensional materials for electronic applications, Science China Information Sciences, 2016, 59 (6):1-14.

6Xuefei Li, Yuchen Du, Mengwei Si, Lingming Yang, Sichao Li, Tiaoyang Li, Xiong Xiong, Peide Ye, and Yanqing Wu, Mechanisms of current fluctuation in ambipolar black phosphorus field-effect transistors, Nanoscale, 2016, 8, 3572–3578.

7Xuefei Li, Xiaobo Lu, Tiaoyang Li, Wei Yang, Jianming Fang, Guangyu Zhang, and Yanqing Wu, Noise in Graphene Superlattices Grown on Hexagonal Boron Nitride, ACS Nano. 2015, 10, 11382-11388.

8Xuefei Li, Lingming Yang, Mengwei Si, Sichao Li, Mingqiang Huang, Peide Ye, Yanqing Wu, Performance Potential and Limit of MoS2 Transistors, Adv. Mater., 2015, 27, 1547–1552.

9Xiong Xiong, Xuefei Li, Mingqiang Huang, Tiaoyang Li, Tingting Gao, and Yanqing Wu, High Performance Black Phosphorus Electronic and Photonic Devices with HfLaO Dielectric, IEEE Electron Device Lett., DOI: 10.1109/LED.2017.2779877.

10Mingqiang Huang, Shengman Li, Zhenfeng Zhang, Xiong Xiong, Xuefei Li, Yanqing Wu, Multifunctional high-performance van der Waals heterostructures, Nat. Nanotechnol., doi:10.1038/nnano.2017.208.

11Qingguo Gao, Xuefei Li, Mengchuan Tian, Xiong Xiong, Zhenfeng Zhang, and Yanqing Wu, Short-Channel Graphene Mixer with High Linearity, IEEE Electron Device Lett., 2017, 38 1168-1171.

12Tiaoyang Li, Zhenfeng Zhang, Xuefei Li, Mingqiang Huang, Sichao Li, Shengman Li, and Yanqing Wu High field transport of high performance black phosphorus transistors, Appl. Phys. Lett., 2017, 110, 163507.

13Mingqiang Huang, Mingliang Wang, Cheng Chen, Zongwei Ma, Xuefei Li, Junbo Han,and Yanqing Wu, Broadband Black-Phosphorus Photodetectors with High Responsivity, Adv. Mater., 2016, 28, 3481-3485.