Bi2O2Se納米線中柵控的h/e周期磁阻振蕩

新型低尺寸材料因其引人入勝的性能和在下一代電子，光電子等領域的應用潛力而引起了人們的極大興趣。石墨烯，黑磷和過渡金屬二硫化物都是其中的明星材料。但另一方面，這些材料也存在缺陷，它們缺少帶隙，在空氣中不穩定，要麼僅具有中等的電子遷移率。最近，一種新型的層狀半導體Bi2O2Se由於其卓越的電子性能如超高電子遷移率（在2K下約為2.8×105cm2/V·s），可調節的帶隙（約0.8eV）以及在空氣環境中的高度穩定性收到關注。通過化學氣相沉積法已經成功地合成了從單層到幾層的大規模Bi2O2Se薄膜，還已經通過實驗證實了該材料的強自旋軌道相互作用以及在高性能場效應電晶體及光電器件中的應用，亦有研究指出其潛在的鐵電性與鐵彈性。

鑑於Bi2O2Se的二維（2D）形式具有令人著迷的特徵，人們很自然地期望具有大的表面體積比的Bi2O2Se一維（1D）納米線形式將保留一些與其二維材料相近的獨特特性。目前對Bi2O2Se納米線的研究仍是一個神秘的面紗。北京凝聚態國家重點實驗室的呂力和屈凡明團隊通過金催化的氣液固（VLS）機理合成高質量的單晶Bi2O2Se納米線。低溫電子傳輸測量表明，低溫電子傳輸測量揭示了h/e周期的電阻振蕩（h是普朗克常數，e是基本電荷）與縱向磁場和柵極可調π相移的關係。這些觀察結果證明了Bi2O2Se納米線中表面態的中表面態的準彈道、相位相干電子傳輸。理論計算態密度與實驗結果之間非常一致，均顯示出柵極電壓和磁場對電阻振蕩的雙重調製，計算表明其機制是沿納米線圓周形成了一維子帶，而不是通常認為的Aharonov-Bohm效應。在此基礎上，該工作進一步提出了與複雜能帶結構相關的定性圖景來解釋向下彎曲的能帶形成。

Bi2O2Se納米線的生長：在水平管式爐中，採用金催化的氣-液-固機理合成了Bi2O2Se納米線。首先，用AuCl3·HCl·4H2O溶液包覆矽片,在管式爐中於H2氛圍中700℃退火，得到粒徑在50~300 nm之間的Au納米粒子。將約2gBi2Se3粉末放在爐子中心，將矽片放在距離12~14 cm的下遊，爐子中心的溫度通常為580℃，晶片的溫度為500-530℃，生長時間為5~10h。由於生長接近零體積的Bi2O2Se納米線對O2的需求很小，故無需額外引入氧氣。

圖1. Bi2O2Se納米線的表徵。(a) 矽片上合成的Bi2O2Se納米線的SEM圖像，納米線頂部的球是金催化劑；(b)典型納米線沿[010]區軸方向的明場TEM圖像和相應的衍射圖；(c,d)分別從A和B方框區域拍攝的HRTEM圖像。

圖2. Bi2O2Se納米線器件性能測試。(a) 雙端測量裝置示意圖，施加縱向磁場B和背柵電壓Vg；(b)具有兩個Ti/Au觸點的器件AFM圖像；(c)1.8K時兩端電阻R與B和Vg的色圖；(d)c圖中數據的二階導數，清楚地說明了振蕩，黃色矩形區域突出顯示π相移。

研究者提出了一個定性的物理圖景來描述Bi2O2Se表面導電溝道的形成。對於半導體，表面費米能級EF往往位於真空水平以下的普適值，約為4.9eV或4.5eV，以達到電荷中性。這個電荷中性能級，稱為分支點能量EB（branchpoint energy），表示表面/界面上施主類型和受主類型狀態的分離。它還對應於在複雜能帶結構中加權整個布裡淵區後的平均帶隙能量。對於極低的導帶最小值(EC)和很小有效質量的小帶隙半導體，與布裡淵區邊界的其他帶邊相比，該能級附近的態密度可以忽略不計，因此，平均禁帶寬度EB可能高於EC，例如InN、InAs和ZnO。這導致的直接結果就是在表面存在施主類態，從而使電子在表面附近聚集並使能帶向下彎曲。

圖3. 假設分支點能量EB高於導帶最小EC。圖的左側顯示了表面施主類態的態密度，這些態在空置時是帶正電荷的，能帶向下彎曲以達到電荷中性，導致費米能級EF與導帶交叉，從而在表面附近積累電子。

綜上所述，該工作採用金催化的VLS方法合成了高質量的Bi2O2Se納米線。X射線衍射和透射電鏡證實了Bi2O2Se納米線作為一種典型的鉍基氧硫化合物材料的單晶性。測量中觀察到柵極可調的h/e周期振蕩，並將其歸因於Bi2O2Se納米線表面態的準彈道輸運。這些結果清楚地展示了一種表面具有不同角動量的準一維電子帶的新型半導體納米線，這為未來量子電子學的設計提供了一個理想的平臺。研究者對電子積累的形成還提出了一種可能的內在機制，但這一機制值得進一步詳細的理論討論和實驗檢驗。

相關論文：

Ying J, Yang G, Lyu Z, et al. Gate-tunable h/e-period magnetoresistance oscillations in Bi2O2Se nanowires. Physical Review B, 2019, 100(23): 235307.

來源：OIL實驗室